УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ ДЛЯ ВУЗОВ

СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗАЦИИ

ТЕПЛОФИЗИ

КОГО

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ ДЛЯ ВУЗОВ

Под редакцией В.Г. Свиридова

Допущено Учебно-методическим объединением
вузов России по образованию в области
энергетики и электротехники в качестве учебного пособия
для студентов высших учебных заведений,
обучающихся по направлению
“Техническая физика”

Москва
Издательский дом МЭИ
2007
УДК 681.518+621.317

ББК 32.965

С-409

Рецензенты'.

доктор техн, наук, проф. С.П. Малышенко,
доктор техн, наук, проф. О.С. Колосов

Авторы:

Н.А. Виноградова, В.В. Гайдученко, А.И. Карякин, В.11. Леш.шип,
В.Г. Свиридов, Е.В. Свиридов, И.С. Теплинский, Г.Ф. Филаретов

С-409

Системы автоматизации теплофизическою жспсримента:
учебное пособие для вузов / Н.А. Виноградова, В.В. I шдученко,

А.И. Карякин и др.; под ред. В.Г. Свиридова. — М.: I! «д.псльский

дом МЭИ, 2007. — 252 с.

18В1Ч 978-5-383-00120-2

В учебном пособии последовательно изложены постановка ыдачи, меюдика и
содержание основных этапов процесса проектирования сложных информационно-
измерительных систем. Системная интеграция, как технология нроеюирования
автоматизированных систем, позволяет создавать сис темы, исполыующие междуна-
родные стандарты на элементы технического и программного обеспечения. Изложе-
ние основ проектирования систем, защиты от помех, мстрологичскою ооеснсчения,
сопровождаемое обширным справочным материалом и описанием информационной
среды ЬаЬУ1Е\У, а также методов и алгоритмов цифровой обрабожн еш налов пред-
ставляет несомненный интерес для разработчиков и поль ины । елей авюматишро-
ванных систем экспериметальных исследований и промышленных испытании.

Книга предназначена для студентов, обучающихся по направлениям «Техническая
физика», «Теплоэнергетика», «Автоматизация и управление» и переподготовки специ-
алистов по проектированию автоматизированных систем в указанных областях.

УДК 681.518+621.317

ЫЖ 32.965

18В1Х 978-5-383-00120-2

© Авторы, 2007

© ЗАО «Издательский дом МЭИ», 2007
ОГЛАВЛЕНИЕ

Предисловие..........................................................5

/ 'шва первая

< и схемная интеграция как технология проектирования автоматизирован-
ных систем...........................................................8

1.1.	Состав и структура автоматизированной системы...............8

1.2.	Особенности современных автоматизированных систем..........11

1.3.	Задача проектирования автоматизированной системы...........14

1.4.	Системная интеграция — современный подход к задачам
проектирования..................................................17

Контрольные вопросы к главе 1....................................20

/ 'шва вторая

Первичные преобразователи (датчики) и кондиционеры сигналов.........21

2.1.	Первичные преобразователи и датчики физических величин.
Общие положения.................................................21

2.2.	Типы измерительных схем и способы борьбы с помехами........36

2.3.	Преобразователи и кондиционеры сигналов....................39

Контрольные вопросы к главе 2....................................41

/ чава третья

С гандартные элементы и конфигурация ИИС............................42

Общие положения..................................................42

3.1.	ИИС на базе встроенных в компьютер измерительно-управляющих
плат (Р1и§ш-сагс1)...............................................42

3.2.	ИИС на базе стандарта приборного интерфейса 1ЕЕЕ-488 ......46

3.3.	ИИС на базе магистрально-модульных систем..................47

3.4.	ИИС на базе локальных устройств ввода/вывода...............61

Контрольные вопросы к главе 3.................................   64

/ 'шва четвертая

11омехи в информационно-измерительных системах...................65

4.1.	Виды помех и способы их описания..........................65

4.2.	Электромагнитные помехи и их классификация................69

4.3.	Собственные шумы компонентов электронных схем.............71

4.4.	Помехи от неидеальности характеристик компонентов электронных схем. 73

4.5.	Индустриальные помехи.....................................77

4.6.	Заземление................................................79

4.7.	Методы защиты от помех ИИС................................87

Контрольные вопросы к главе 4.................................100

/ шва пятая

Разработка прикладного программного обеспечения ИИС

в среде ЬаЬУГЕХУ................................................101

5.1.	Общие сведения о средствах разработки
программного обеспечения.....................................101
5.2.	Виртуальные приборы (VI - \тг1иа11п8$гитеп1)...............106

5.3.	Типы данных в ЬаЬУ1Е\У.....................................117

5.4.	Конструкции программирования ЕаЬУ1Е\У......................124

5.5.	Пример создания виртуального прибора.......................135

5.6.	Вспомогательный материал для разработки ВП.................139

Контрольные вопросы к главе 5...................................147

Глава шестая

Цифровая обработка сигналов........................................148

6.1.	Типовые сигналы и их основные характеристики...............148

6.2.	Аналого-цифровое преобразование............................164

6.3.	Предварительная обработка сигналов.......................  172

6.4.	Статистический анализ случайных процессов..................186

6.5.	Практические рекомендации по проведению анализа............213

Контрольные вопросы к главе 6...................................216

Глава седьмая

Метрологическое обеспечение ИИС....................................217

7.1.	Основные положения.........................................217

7.2.	Нормирование метрологических характеристик ИИС......... .. 222

7.3.	Метрологическая экспертиза технической документации ИИС....224

7.4.	Испытания, утверждение типа и сертификация ИИС.............227

7.5.	Поверка и калибровка ИИС...................................229

Контрольные вопросы к главе 7...................................230

Глава восьмая

Пример разработки информационно-измерительной системы..............232

8.1.	Общие замечания............................................232

8.2.	Пример создания ИИС для регистрации теплофизических параметров . 233

Контрольные вопросы к главе 8...................................246

Список литературы..................................................247
ПРЕДИСЛОВИЕ

Современные экспериментальные исследования как лабораторные, так
и промышленные характеризуются рядом принципиальных особенностей,
которые необходимо учитывать при проектировании информационно-
и верительных систем (ИИС), предназначенных для их практической реа-
ли ?ации. Одним из наиболее сложных видов исследований являются науч-
ные. Благодаря своим особенностям автоматизированные системы науч-
ных исследований (АСИИ) были выделены в отдельный класс, и именно
при проектировании этих систем в первую очередь реализуются все сов-
ременные технические достижения.

Теплофизические исследования характеризуются разнообразием изу-
чаемых процессов и измеряемых физических величин, достаточно широ-
ким частотным диапазоном измеряемых сигналов, высокими требовани-
ями к метрологическому обеспечению. Кроме того, в ходе эксперимента
часто возникает необходимость одновременного (синхронного) измерения
большого числа факторов, реализация разнообразных режимов измере-
ний, вплоть до критических по ряду параметров, а также организация
работы с дистанционным доступом к объекту исследования. Реализация
жсперимента может быть связана с использованием сложного и дорого-
сгоящего экспериментального оборудования и испытательных стендов.
В связи с этим становится очевидным, что только применение современ-
ных аппаратно-программных средств автоматизации экспериментальных
установок и испытательных стендов в сочетании с новейшими информа-
ционными технологиями могут обеспечить необходимый уровень эффек-
тивности и качества исследований. В настоящее время во всех высокораз-
витых странах происходит интенсивная смена поколений аппаратно-
программных средств в области автоматизации, в том числе и в области
информационно-измерительных систем и технологий, предназначенных
для экспериментальных исследований и испытаний. Прежнее поколение
систем, освоенных в 70—80-х годах в СССР: КАМАК, КОП, УМЕ-Ъиз —
заложило основу современных принципов построения систем автоматиза-
ции. Новые поколения систем, пришедшие им на смену, воплотили в себе
все достоинства предыдущих поколений, и, сохранив с ними преемствен-
ность, добавили качественно новые возможности компьютерных, теле-
коммуникационных и измерительных технологий.

Практическое внедрение современных систем автоматизации требует
комплексного подхода к их изучению. Освоение данной проблемы вклю-
чает в себя совместное рассмотрение всех основных компонентов, в том
числе: углубленный анализ объектов и процессов экспериментирования,
щтчиков, первичных преобразователей физических величин, исполни-
тельных механизмов, измерительных и управляющих каналов, измери-
тельно-управляющей аппаратуры, развития системного и прикладного
программного обеспечения, алгоритмов и методологии обработки и ана-
лиза экспериментальных данных. Отличительной особенностью совре-
менных автоматизированных систем является использование в них стан-

дартизованных продуктов

элементов технического и программного

обеспечения и, как следствие, возможность реализации нового подхода к

проектированию — системной интеграции.

обучающихся по направлениям «Техническая физика», «Теплоэнергетика»
и «Автоматизация и управление», и переподготовки специалистов в области
системной интеграции, методов и техники теплофизических экспери-

ментов, сделана попытка последовательно и логично изложить методику
проектирования сложных измерительных систем, классифицировать и
обобщить техническую информацию о продукции ведущих мировых про-
изводителей информационно-измерительной техники и программного

обеспечения, подчеркнуть перспективные тенденции в развитии современ-
ных информационно-измерительных технологий и предоставить материал
для изучения реальных средств разработки и методов анализа эксперимен-
тальных данных. Значительное место в учебном пособии занимают методы

и алгоритмы цифрового анализа свойств измеренных сигналов как неотъ-
емлемого этапа при интерпретации результатов работы системы.

В первой главе пособия определяются базовые понятия, связанные с
автоматизированными системами научных исследований и процессом их
проектирования. Рассмотрены состав и структура автоматизированной
системы, особенности современных автоматизированных систем, содер-
жание и смысл системной интеграции как метода их проектирования.

Содержание последующих глав позволяет реально изучить выполне-
ние всех этапов проектирования, поскольку содержит методические реко-
мендации и обширный материал для реализации всех компонентов созда-
ваемой системы.

Вторая глава посвящена рассмотрению первичных преобразователей и
кондиционеров сигналов. В главе рассматривается этап первичного преоб-
разования измеряемых сигналов, который во многом определяет содержа-
ние последующих этапов, и приводится общий алгоритм выбора датчиков
и кондиционеров, который сопровождается обширным справочным мате-
риалом и рекомендациями практического характера.

Содержанием третьей главы является описание стандартных элементов
и конфигураций информационно-измерительных систем, используемых при
применении технологии системной интеграции. Подробно описаны основ-
ные типы стандартных технических средств информационно-измеритель-
ных систем разного уровня и назначения: СИВ, УМЕ, УХ1, РХ1,8СХ1, Нек!
Рош1 и т.д., приведены технические характеристики устройств и рекоменда-
ции по их использованию в зависимости от постановки задачи проектирова-
ния системы в целом и типа исследуемых сигналов.

Четвертая глава посвящена анализу помех, возникающих в информа-
ционно-измерительных системах. Здесь приведена классификация помех,
объяснены их физическая сущность и способы описания. Рассмотрены
основные методы защиты от действия помех, которые сопровождаются
рядом примеров их практической реализации.
Пятая глава содержит обзор современных средств разработки приклад-
ного программного обеспечение ИИС. Приведено руководство для освое-
ния среды графического программирования ЬаЪУ1Е\У, включающее при-
меры постепенно усложняющейся разработки виртуального прибора для
выполнения типовых операций при проведении реальных измерений.

Глава шестая пособия включает описание методов цифровой статисти-
ческой обработки измеренных сигналов. В главе приводится описание
основных типов и свойств сигналов характерных для реальных ИИС. Рас-
смотрены основные методы преобразования на этапах первичной и вто-
ричной обработки, а также использование специализированных програм-
мных средств и пакетов общего назначения при анализе статистических
свойств сигналов. Описание методов исследования сопровождается
модельными примерами, выполненными в среде специализированных
пакетов для статистической обработки сигналов, практическими рекомен-
дациями и справочным материалом.

Вопросы метрологического обеспечения ИИС, которые являются важ-
ным фактором эффективности ИИС, рассмотрены в седьмой главе посо-
бия. Основу главы составляет перечень и пояснение содержания меропри-
ятий, которые должны выполняться на этапах создания и эксплуатации
ИИС при соблюдении законодательных и нормативных актов для обеспе-
чения единства и необходимой точности измерений.

Глава восьмая включает примеры разработки реальных ИИС. В главе
рассмотрены основные этапы проектирования ИИС с применением техно-
логии системной интеграции на примере двух разработок из разных пред-
метных областей, которые иллюстрируют изложенный выше материал и
основные приемы проектирования.

Как уже неоднократно отмечалось, книга предназначена для подго-
товки специалистов-экспериментаторов в области разработки и внедрения
информационно-измерительных систем теплофизического профиля, а
также их эксплуатации. Однако, по мнению авторов, она может быть
полезна для специалистов, работающих в любых направлениях научного
эксперимента — виброакустике, динамике пластин и оболочек, газодина-
мике и т.д., а также в различных отраслях промышленности.

Обширный список литературы, включающий монографии, научные и
технические статьи, учебно-методические и справочные пособия, позво-
ляет помимо изучения основного содержания пособия обратиться к мно-
гочисленным дополнительным источникам.
Глава первая

СИСТЕМНАЯ ИНТЕГРАЦИЯ
КАК ТЕХНОЛОГИЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ
АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ СИСТЕМ

1.1.	Состав и структура автоматизированной системы

Автоматизированные системы в различных областях создаются для
того, чтобы более эффективно решать задачи, связанные с исследова-
нием физических объектов и явлений. Основными действиями в сис-

теме являются измерение, запись и хранение некоторых физических
величин, проведение расчетов и анализа результатов, формирование
управляющих воздействий и передача их на объект, оформление,

запись и представление оператору системы всех необходимых резуль-

татов измерения, расчетов и анализа. Для того чтобы удовлетворить

требованиям по быстродействию, точности расчетов, разнообразию

типов анализа и объемам обрабатываемой измерительной информа-

ции, в систему следует включить вычислительные средства и средства
для подключения их к объекту. Таким образом, помимо изучаемого
объекта и работающего с ним персонала, система должна включать
набор технических и программных средств, предназначенных для
выполнения указанных выше функций и организации работы системы.

Автоматизированная система (АС) предназначена для проведения
исследований, управления физическими явлениями и объектами,

состоит из комплекса средств автоматизации деятельности персонала
и реализует заданную технологию выполнения установленных функ-
ций [1—3]. В зависимости от рода деятельности выделяют, например,

следующие виды автоматизированных систем: автоматизированные
системы управления технологическими процессами (АСУТП), сис-
темы автоматизированного проектирования (САПР), автоматизирован-
ные системы научных исследований (АСНИ) и др.

Автоматизированная система научных исследований представляет
собой совокупность программных и технических средств, выполняю-
щих функции измерения, обработки опытных данных, представления

результатов и управления ходом эксперимента при исследовании
сложных объектов и процессов [4]. АСНИ имеет ряд существенных

отличий от других АС, например от АСУТП. Как правило, АСУТП

проектируется и создается в расчете на автоматизацию конкретного

объекта или процесса с заранее известными свойствами, параметрами
определенным набором функций измерения,

и характеристиками, поэтому системы АСУТП имеют более жесткую
структуру со строго

управления, обработки и представления информации.

АСНИ создается обычно как средство автоматизации, предназна-
ченное для проведения эксперимента при исследовании существенно
различающихся по свойствам объектов и процессов, при этом алго-
ритмы исследования могут меняться в процессе эксперимента. Специ-
фика АСНИ определяется повышенными требованиями к перестраи-
ваемости ее структуры, избыточности ее функциональных, программ-
ных и технических возможностей, точности и производительности
отдельных компонент [5, 6]. Структурная схема АСНИ приведена на
рис. 1.1.

В составе АСНИ выделяют следующие основные элементы:

объект (процесс) исследования ОИ;

экспериментальная установка ЭУ, предназначенная для проведе-
ния опытов над объектом (процессом) исследования в определенных
(заданных) условиях, а также для изменения этих условий в соответст-
вии с выбранным планом эксперимента. Данная часть АСНИ всегда
специализирована и строится с учетом конкретных особенностей
исследуемого объекта (процесса) и способа проведения эксперимента;

датчики Д — измерительные преобразователи, реагирующие
своим чувствительным элементом на изменения того или иного физи-
ческого параметра и преобразующие эти изменения в форму, удобную
для последующей передачи информации (обычно в электрический
сигнал);

органы управления ОУ — исполнительные механизмы, воздейст-
вующие на элементы ЭУ или непосредственно на ОИ путем преобра-
зования электрических сигналов управления в соответствующие изме-
нения того или иного физического параметра;

линии связи ЛС, используемые в АСНИ, различаются как по спо-
собу передачи информации: электрические кабельные, оптоволокон-

Рис. 1.1. Структура автоматизированной системы научных исследований
ные и радиочастотные, так и по типу передаваемых сигналов: аналого-
вые и цифровые;

кондиционеры сигналов КС — устройства, осуществляющие преоб-
разование электрических сигналов и приведение их к удобному для
дальнейшего использования уровню или виду. К ним относятся усили-
тели, нормализаторы, гальванические развязки, искрогасящие барь-
еры, преобразователи типа ток/напряжение, частота/напряжение и
другие подобные устройства. КС используются в виде как самостоя-
тельных устройств, так и встроенных элементов, а также в виде схем,
входящих в состав подсистем измерения и управления или датчиков и
органов управления (интеллектуальные Д и ОУ);

подсистема измерения ПИ предназначена для измерения и регист-
рации аналоговых, частотных, цифровых и других электрических сиг-
налов, преобразования их в кодированную информацию и передачи ее
в ЭВМ. В состав ПИ входят такие функциональные устройства, как
аналого-цифровые преобразователи, мультиметры, частотомеры, ком-
мутаторы и т.п.;

подсистема управления ПУ предназначена для приема от ЭВМ
управляющих воздействий в кодированном виде, преобразования полу-
ченных цифровых кодов в электрические сигналы аналоговой, импульс-
ной, частотной или дискретной формы и передачи их в ОУ. В состав ПУ
входят следующие функциональные устройства: цифроаналоговые пре-
образователи, генераторы, управляемые реле и ключи и т.п.;

ЭВМ — центральный элемент автоматизированной системы
научных и экспериментальных исследований. В настоящее время в
АСНИ используются практически все типы серийно выпускаемых
ЭВМ — от простейших настольных, переносных или встроенных пер-
сональных компьютеров (ПК) до мощных рабочих станций и крупных
вычислительных комплексов;

пользователем П АСНИ являются один или несколько человек, экс-
плуатирующих систему при проведении экспериментальных исследо-
ваний, непосредственно участвующих в функционировании человеко-
машинного комплекса в качестве субъекта (субъектов), задающего
план и способ реализации исследований, изменяющего работу функ-
циональных узлов АСНИ в ходе экспериментирования, а также интер-
претирующего результаты научного эксперимента. Современные сред-
ства создания АСНИ позволяют пользователю самостоятельно, без
услуг разработчика, осуществлять расширение, модернизацию и пере-
программирование системы при изменении задач экспериментальных
исследований.
При описании совокупности схемотехнических средств и функций,
обеспечивающих непосредственное взаимодействие составных эле-
ментов АСНИ, используются понятия «интерфейс», «устройство связи
с объектом», «измерительно-управляющий комплекс», «системы сбора
информации», «информационно-измерительная система» и др.

Интерфейс — наиболее устоявшееся в отечественной литературе
понятие, представляет собой совокупность технических, программных
и конструктивных средств, необходимых для взаимодействия различ-
ных функциональных элементов в автоматизированных системах и
предназначенных для обеспечения информационной, электрической и
конструктивной совместимости указанных элементов [2]. Интерфейс
является понятием более широким по сравнению с другими терми-
нами и распространяется не только на СА, но и на средства вычисли-
тельной техники (СВТ), системы обработки информации (СОИ), сис-
темы и сети передачи данных (СПД) и др. [3].

Применительно к АСНИ понятия устройство связи с объектом
(УСО), измерительно-управляющий комплекс (ИУК), система сбора
информации (ССИ), информационно-измерительная система (ИИС)
тождественны и подразумевают собой комплекс, включающий в себя
линии связи, кондиционеры сигналов, подсистему измерения и подсис-
тему управления. Тождественность этих понятий подчеркивается тем,
что во многих случаях одна и та же совокупность элементов АСНИ
называется в разных отечественных и зарубежных документах и источ-
никах по-разному. В дальнейшем для обозначения совокупности про-
граммных, технических и конструктивных средств, обеспечивающих
сопряжение (преобразование информации) между объектной частью
АСНИ, включающей в себя сам объект исследования, оборудование экс-
периментальной установки, датчики, органы управления, и управляю-
щим компьютером (ЭВМ) будет использоваться понятие ИИС.

1.2.	Особенности современных автоматизированных
систем

Современные АС строятся на основе программно-управляемой
измерительно-вычислительной аппаратуры и средств вычислитель-
ной техники, используют локальные и глобальные телекоммуникаци-
онные сети, последние достижения информационных технологий и
широкий набор специального и универсального инструментального и
прикладного программного обеспечения. АС применяются для реше-
ния задач управления технологическими и производственными про-
цессами, задач экспериментальных исследований, испытаний, монито-
ринга, диагностики и тестирования аппаратных средств и т.п. В
каждой из этих областей исследуемым объектам и явлениям присущи
некоторые отличительные особенности, которые предъявляют к сис-
теме автоматизации свои характерные требования. Несмотря на имею-
щиеся различия, для всех АС характерны общие тенденции развития,
принципы построения и подходы к проектированию [5].

Основополагающими принципами построения современных систем
автоматизации в целом и их отдельных элементов и узлов являются:
стандартизация, открытость, магистральность, модульность, про-
граммная управляемость и многоуровневость.

Стандартизация элементов и узлов АС обеспечивает их информа-
ционную, электрическую и конструктивную совместимость. Под
информационной совместимостью понимают согласованность дей-
ствий функциональных элементов в соответствии с условиями, опре-
деляющими структуру и состав унифицированного набора информа-
ционных шин, способ кодирования и форматы команд, данных,
адресной информации и информации состояния, а также временнйе
соотношения между управляющими сигналами и ограничения на их
форму и взаимодействие. Электрическая совместимость обеспечи-
вает согласованность статических и динамических параметров элект-
рических сигналов в системе информационных шин и линий связи с
учетом ограничений на пространственное размещение устройств
ИИС и техническую реализацию приемопередающих элементов. Конст-
руктивная совместимость определяет условия взаимного соответствия
конструктивных элементов ИИС для обеспечения механического кон-
такта соединений и механической замены схемных модулей, блоков и
устройств. При этом основными видами совместимости элементов аппа-
ратуры являются информационная и электрическая, без которых
невозможно установить взаимодействие. Минимальные требования по
конструктивной совместимости определяют параметры устройств для
механических соединений — разъемов, в некоторых стандартах огова-
риваются размеры плат и конструктивных элементов.

Следует указать, что для различных сфер применения АС сущест-
вуют свои традиционные стандарты на программные и технические
решения. До некоторых пор эти стандарты не были взаимоувязаны
между собой, что не позволяло достаточно просто объединять (интег-
рировать) различные по назначению АС между собой. Современные
тенденции в области стандартизации таковы, что АС, построенные на
основе различных решений, могут интегрироваться в единые системы
и комплексы без серьезных дополнительных разработок. На место
фирменных и узкоспециализированных решений стали приходить
открытые международные стандарты.
Стандартизация большинства технических и программных реше-
ний, применяемых в современных АС, привела к главенству ряда стан-
дартов на мировом рынке автоматизации. Применение стандартов при
создании АС является показателем ее качества, гарантирует пользова-
телю современный технический уровень и преемственность системы в
процессе ее дальнейшего развития и модернизации.

Открытость системы — категория не только техническая, но и
жономическая. Открытость стандартов на АС означает отсутствие
патентов или авторских прав на спецификацию стандарта и его расши-
рение, отсутствие лицензионной платы за использование стандартов,
широкую доступность всех специалистов к разработке, производству и
использованию продукции в данном стандарте. Открытость АС озна-
чает использование открытых стандартов, определяет гибкость ее
архитектуры, доступ к любому элементу системы, дружественность
пользовательского интерфейса, возможность взаимодействия с дру-
гими системами за счет использования широкого спектра изделий и
программ и совместимости этих продуктов на разных уровнях.

Магистральность и модульность структуры — построение АС с
использованием функционально законченных элементов — модулей,
соединяемых общими многопроводными линиями связи — магистра-
лями, к которым эти модули подключаются. В числе модулей могут
быть функциональные модули, выполненные в рамках некоторого
стандарта, стандартные приборы, встраиваемые платы и, в некоторых
случаях, ЭВМ с периферийным оборудованием. Наличие общих маги-
стралей упрощает подключение новых модулей и дополнительных
блоков, обеспечивая системе гибкость и мобильность.

Программная управляемость модулей или автономных устройств
АС означает такую их схемную реализацию, которая дает возмож-
ность программным путем с помощью определенного набора команд,
подаваемых от специальных управляющих блоков (контроллеров) или
ЭВМ, изменять их состояние и алгоритм функционирования. Тем
самым программная управляемость элементов АС позволяет опера-
тивно менять возможности всей системы в зависимости от конкретных
задач, решаемых АС.

Многоуровневость характерна для систем, в которых различные
задачи решаются на разных функциональных уровнях. Задачи непо-
средственного сбора информации и управления объектом — на уровне
датчиков и исполнительных механизмов, так называемом объектовом
уровне. Задачи первичной обработки информации, программное алго-
ритмическое управление системой — на уровне компьютерного (кон-
троллерного управления). Задачи распределения информации, вторич-
ной обработки и селективного представления интегральных
результатов различным пользователям АС — на верхнем информаци-
онном уровне.

Очевидно, что в этом случае система становится многофункцио-
нальной, а для перечисленных задач необходимо техническое и про-
граммное обеспечение с разными техническими параметрами. В типо-
вых многоуровневых системах распределение функций выглядит
следующим образом. Нижний уровень АС взаимодействует непосред-
ственно с объектом на уровне компьютерного управления, здесь про-
исходят первичная несложная обработка информации, накопление
промежуточных результатов, выработка управляющих воздействий.
Верхний уровень предназначен для сложных видов расчетов, форми-
рования баз данных, цифрового моделирования, формирования и при-
нятия решений на уровне системы в целом. Автоматизированная сис-
тема, включающая несколько уровней, может быть локальной или
территориально распределенной системой, а также элементом слож-
ной сетевой структуры.

1.3.	Задача проектирования автоматизированной системы

Типовой процесс проектирования системы автоматизации в любой
области включает несколько основных этапов.

Изучение объекта или процесса, для автоматизации которого соз-
дается система. Для эффективного проектирования АС необходимо
получить сведения о самом изучаемом объекте и условиях, в которых
происходит его функционирование, сформулировать требования к
задачам управления и измерения, способам отображения информации
в режиме реального времени и на стадии вторичной обработки, опре-
делить требуемый конечный результат автоматизируемого процесса.

Для характеристики объекта необходимо хорошо представлять себе
его физическую сущность, выяснить количество и тип сигналов, под-
лежащих измерению, управлению или регулированию, определить
амплитудные и частотные диапазоны их изменения, скорость протека-
ния изучаемых процессов. Частично эти сведения могут быть неиз-
вестны, и их необходимо получить на основе экспериментальных
исследований до начала проектирования. Для определения условий
функционирования объекта необходимо знать возможные режимы
исследования или управления, продолжительность сеансов работы,
необходимый объем измерительной информации, требования к усло-
виям работы персонала, связанного с работой на объекте [6]. Разработ-
чик или проектировщик автоматизированной системы должен знать
характерные особенности объекта, потенциально опасные режимы и
режимы его стабильной работы.

В качестве основных требований к АС могут выступать требования
по точности и количеству измерений, к форме их хранения и представ-
ления, организации взаимодействия с пользователем, способам теку-
щей и окончательной обработки и представлению результатов. В ряде
случаев существенную роль для проектирования играет характер про-
водимых в рамках автоматизированной системы работ. Взаимодейст-
вие с объектом может носить рутинный типовой характер или вклю-
чать элементы неопределенности и новизны. Если проектируется АС
для хорошо изученного объекта или явления, проектировщик распола-
гает технологической картой, т.е. временными диаграммами, на кото-
рых указаны последовательность действий на объекте и их продолжи-
тельность [8]. Для мало изученного объекта автоматизации
разрабатывается алгоритм выполнения основных операций, пара-
метры которого могут уточняться в процессе отладки системы или в
процессе работы в автоматизированном режиме.

Этот этап работы проводится совместно разработчиком АС и спе-
циалистом из конкретной предметной области и является очень суще-
ственным для дальнейшей работы, поскольку понимание существа
поставленной задачи и ее особенностей во многом определяет эффек-
тивность проекта. По трудоемкости первый этап часто сравним с сум-
марными затратами на все последующие. Итогом этапа является тех-
ническое задание на проектирование АС, в котором сформулированы
все исходные данные об объекте, требования к АС и конечный резуль-
тат работы.

Выбор структуры АС. Структура АС, т.е. элементы системы и спо-
соб их соединения, выбирается с учетом указанных выше особенно-
стей объекта и условий работы системы в целом. Особенность автома-
тизированной системы состоит в том, что ее элементами являются
технические устройства, информационные потоки и пользователи,
поэтому очень существенной становится организация адекватного
взаимодействия между элементами системы и человеком, а также ото-
бражение происходящих процессов и получаемой информации. С уче-
том принципа многоуровневости АС целесообразно ориентироваться
на типовые функциональные структуры, которые отражают специфику
систем разной сложности и которые могут быть взяты за основу для
конкретной задачи проектирования.

Разработка решений по технической реализации АС. На этом этапе
создается конкретное техническое решение по исполнению выбранной
ранее функциональной структуры АС. Именно здесь принцип откры-
тых стандартов играет важную роль [7]. Понятно, что одну и ту же
функциональную структуру можно реализовать в различных вариан-
тах, с использованием разного «строительного материала». Причем в
качестве «кирпичей» для создания АС выступают аппаратные и про-
граммные средства. «Кирпичи» для строительства АС можно разрабо-
тать самому, а можно приобрести готовые. Купить их можно в одном
магазине или в другом, отечественные или импортные. «Кирпичи»
могут быть стандартными и легко стыкуемыми друг с другом и с дру-
гими используемыми элементами системы, а могут быть уникальными
по форме и по содержанию. Понятно, что и затраты на строительство
программно-технического каркаса АС при разных подходах будут раз-
ные. На этом этапе проявляется искусство разработчика, связанное с
выбором оптимального для конкретного случая варианта реализации
АС. На этом этапе затрагиваются вопросы технической целесообраз-
ности, экономической эффективности, срока жизнедеятельности сис-
темы, ее качественные и надежностные показатели. Разработанные и
принятые на этом этапе решения отражаются в технико-рабочем
проекте на АС.

Сборка системы. Сборка системы из разработанных или выбран-
ных элементов технического, системного и инструментального про-
граммного обеспечения, установка и их отладка в рамках единого про-
граммно-технического комплекса АС проводятся для выявления
работоспособности системы и соответствия параметров системы тре-

буемым. При проведении отладочных работ выявляются все погреш-

нести проектирования и проводится доводка системы до рабочего
состояния. Апробация АС на этом этапе проводится, как правило, в
типовом режиме работы с известными результатами или в наиболее
важном режиме с точки зрения данной предметной области, для кото-
рой предназначена система. Такой подход дает наибольшую возмож-
ность выявить ошибки проектирования. При проектировании сложных
систем возможны случаи замены элементов системы и доработки про-
граммного обеспечения после первой демонстрации АС.

Разработка прикладного программного обеспечения. Неотъемле-
мой частью АС является прикладное программное обеспечение. С
помощью специального прикладного программного обеспечения
решаются задачи поддержания режима реального времени, обработки
результатов работы системы, их хранения и документирования на раз-

ных уровнях и множество других.

случае территориально рас-

пределенных систем и систем с сетевой структурой необходимо про-
граммное обеспечение для организации взаимодействия как внутри
системы, так и с внешними системами и сетями. При выборе инстру-
ментальных программных средств предпочтение отдается продуктам,
обеспечивающим разработку программ не только для решения техни-
ческих задач, но и для организации наглядного и удобного взаимодей-
ствия с пользователем, т.е. человеко-машинного интерфейса. В ряде
случаев при проектировании программного обеспечения предъявля-
ется требование обеспечить ведение необходимой отчетной техниче-
ской и экономической документации, т.е. поддерживать не только тех-
ническую, но и управленческую инфраструктуру.

Разработка методического обеспечения АС. На данном этапе
должно быть составлено методическое описание для обслуживаю-
щего персонала и для пользователей, в котором указываются все воз-
можности АС, технические характеристики элементов АС, последо-
вательность действий во всех предусмотренных режимах работы,

описывается пользовательский интерфейс.

методическом обеспе-

чении приводятся также возможности прикладного программного

обеспечения, предусмотренная форма представления результатов
работы и возможности их обработки. Методические материалы

позволяют изучить состав и возможности АС и приступить к работе
с нормально функционирующей системой. Как правило, организа-
ция-разработчик берет на себя функцию сопровождения и поддержа-
ния АС в рабочем состоянии.

Комплексная отладка АС. На этом этапе проводится физическое
подключение АС к объекту или процессу автоматизации. Проводится
комплексная отладка системы при взаимодействии ее с объектом,

включая все компоненты технического, программного и методиче-
ского обеспечения. После достижения положительных результатов на

этом этапе система вводится в опытную эксплуатацию.

Результат проектирования является индивидуальным для каждого

физического объекта. Однако любая правильно разработанная автома-
тизированная система может существенно повысить эффективность
научно-исследовательского и образовательного процесса, обеспечить

новое качество и результативность лабораторного эксперимента.

1.4.	Системная интеграция — современный подход
к задачам проектирования

Основные принципы автоматизации

открытость и стандартиза-

ция

обеспечивают новые возможности в современном процессе про-

ектирования АС Поскольку большинство технических и программных
решений, ирщэдьзуемыхж^Ай.^сханжЬтизованы, а принцип открытости
обеспечивает равные права для любого потенциального производителя

участвовать в разработке и коммерческой эксплуатации

технического

стандарта, создается возможность применить новый подход к практи-
ческому созданию систем автоматизации. Вместо разработки и изго-

товления отдельных компонент, необходимых для создания системы,

используется интеграция системы из отдельных готовых стандартных

элементов, совместимых как по конструктивным, электрическим и про-

темной интеграцией, а специалист в этой области — системным
интегратором. Системная интеграция становится наиболее эффектив-
ным и целесообразным способом проектирования АС, в том числе и
для областей, где АС являются мало тиражируемыми и уникальными
комплексами. Наличие уже апробированных типовых структур, функ-

циональная направленность стандартов, выпуск ведущими фирмами-

производителями широкого ассортимента стандартных аппаратных и
программных продуктов, а также свободный доступ к технической и
рекламной информации ведущих фирм обеспечивают возможность

взаимодействия специалистов и позволяют существенно повысить

эффективность их работы в процессе проектирования. Учитывая раз-
нообразие существующих стандартов на техническое и программное
обеспечение, можно сказать, что практически любая задача проекти-
рования может быть решена с использованием указанного подхода.

Стандарты открытых систем чрезвычайно полезны и для потреби-
телей. Ориентация на стандартные, открытые системы означает для
потребителя надежные гарантии его инвестиций, поскольку конкурен-
тоспособность открытых систем оказалась очень высокой. За послед-
ние 10 лет они завоевали более 80 % рынка автоматизации в науке и

промышленности.

При реализации метода системной интеграции к традиционным
этапам проектирования, перечисленным выше, следует добавить еще
несколько:

анализ существующего рынка элементов автоматизации, продук-
ции ведущих фирм, тенденций развития систем автоматизации, вычис-
лительной техники и программного обеспечения;

анализ возможных решении задачи проектирования АС, реализуе-

вого назначения, выполненные в рамках различных стандартов, могут
иметь вид встраиваемых плат, законченных цифровых приборов или
модулей, предназначенных для установки в специальные стойки. Эти
возможности определяются стандартизацией конструктивных реше-
ний, а сами устройства предназначены для работы в рамках систем
различной конфигурации и назначения;

подбор стандартных элементов: датчиков, исполнительных уст-
ройств, измерительных схем, а также компьютеров и обоснование их
включения в автоматизированную систему с точки зрения техноло-
гичности выбранного решения. Выбор стандартных элементов дол-
жен сопровождаться сопоставлением вариантов, удовлетворяющих
техническим требованиям, но различающихся конкретной реализа-
цией. Следует указать, что стандартизованными являются систем-
ные интерфейсы ЭВМ, интерфейсы периферийных устройств, изме-
рительно-управляющие устройства, интерфейсы распределенных
систем и сетей [9].

Более подробное описание свойств и возможностей, предоставляе-
мых различными стандартами, будет дано в гл. 3:

разработка прикладного программного обеспечения с использова-
нием современных графических систем программирования, обеспечи-
вающих создание пользовательского интерфейса с «виртуальными»
приборами и включающих библиотеки драйверов для наиболее рас-
пространенных стандартов;

составление технико-экономического обоснования проекта, бизнес-
плана, документации для закупки и таможенного контроля оборудо-
вания. Здесь требуется иметь представление о финансовом сопрово-
ждении проекта, процессе ценообразования продукции, таможенном
законодательстве, уметь вести деловую переписку и оформлять
финансовую документацию.

При использовании методики системной интеграции необходимо
учитывать, что стандарты на программно-технические средства авто-
матизации разрабатываются с учетом особенностей автоматизируе-
мого объекта: промышленные системы существенно отличаются по
условиям работы и требованиям к ним от систем научных исследова-
ний, систем мониторинга или систем испытания технических уст-
ройств. В дальнейшем основное внимание будет уделено системам
автоматизации экспериментальных исследований, поэтому подробное
описание процесса проектирования на конкретных примерах будет
приведено в гл. 8 после знакомства с существующими стандартами на
технические и программные продукты и образцами такой техники.

При рассмотрении этапов проектирования АС методом системной
интеграции становится очевидным, что это — деятельность коллек-
тива специалистов разного профиля, среди которых необходимо при-
сутствие менеджера проекта, поскольку доля организационной работы
при выполнении полного цикла проектирования, сдачи готовой сис-
темы и ее сопровождения существенно возрастает. В связи с этим воз-
никает необходимость в специалистах — менеджерах проектов и фир-
мах, специализирующихся на задачах инженерного менеджмента,
включающего выполнение проектов, сборку и поставку СА, оказание
отдельных услуг, связанных с разработкой СА, обучение персонала,
консультации по вопросам проектирования и эксплуатации и т.п. Рас-
смотрение вопросов инженерного менеджмента не входит в содержа-
ние этой книги, однако ознакомиться с этой проблемой можно по лите-
ратуре [26].

Контрольные вопросы к главе 1

1.	Перечислите основные виды автоматизированных систем (АС).

2.	В чем состоит отличие АС для научных исследований от АС управления
технологическими процессами?

3.	Назовите основные компоненты, входящие в АСНИ.

4.	Дайте толкование понятиям: «интерфейс» и ИИС.

5.	Перечислите основополагающие принципы построения современных АС.

6.	Каким основным видам совместимости должны удовлетворять стандарт-
ные компоненты АС?

7.	Что входит в понятия: открытость, магистральность, модульность, про-
граммная управляемость средств автоматизации в АС?

8.	Назовите последовательность этапов создания АС.

9.	Какой этап создания АС Вы считаете ключевым, обоснуйте?

10.	Как Вы понимаете отличие между методическим и прикладным програм-
мным обеспечением?

11.	В чем состоит коренное отличие принципа создания АС методом систем-
ной интеграции и традиционным методом разработки с «нуля»?

12.	Какие основные преимущества при разработке и создании АС дает исполь-
зование стандартных компонентов?

13.	Перечислите: какие дополнительные знания и виды деятельности харак-
терны для системного интегратора.
Глава вторая

ПЕРВИЧНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ (ДАТЧИКИ)
И КОНДИЦИОНЕРЫ СИГНАЛОВ

2.1.	Первичные преобразователи и датчики физических
величин. Общие положения

Датчик является необходимым и одним из важнейших компонентов
информационно-измерительных систем. Он предназначен для преоб-
разования различных физических величин (температуры, давления,
перемещения, скорости и др.) в электрический сигнал, удобный для
дальнейшего использования в измерительных системах.

Традиционные понятия первичных преобразователей и датчиков
различны. Под первичным преобразователем обычно понимается чув-
ствительный элемент, непосредственно преобразующий физический
параметр в электрический сигнал. Датчик представляет собой более
сложное устройство, которое, кроме основного элемента — первич-
ного преобразователя, включает в себя еще ряд электрических, меха-
нических и конструктивных элементов, необходимых для реализации
законченного и стандартизованного, в определенной степени, изделия
с конкретными техническими характеристиками. Современные дат-
чики средств автоматизации [11] представляют собой достаточно
сложные устройства, выполняющие ряд функций вторичных измери-
тельных и преобразующих устройств. В литературе оба названия часто
употребляются как синонимы, что, строго говоря, не справедливо. Для
пользователя, в частности системного интегратора, которого интере-
суют, в первую очередь, выходные технические характеристики дат-
чика (точность, стабильность, диапазон измерений и т.п.) и его конст-
руктивное исполнение, тип и физическая основа первичного
преобразователя играют вторичную роль. Поэтому в дальнейшем в
тексте мы будем в основном оперировать понятием датчик, хотя в дан-
ной главе будут рассматриваться и физические принципы первичных
преобразователей, используемые в датчиках.

2.1.1.	Датчики температуры

Существует много способов измерения температуры датчиками, в
основу работы которых положены различные принципы преобразова-
ния температуры в электрический сигнал. Например, используя зави-
симость свойств р-и-переходов от температуры, можно построить дат-
чик, чувствительным элементом которого служит полупроводниковый
диод или транзистор. Однако опыт показывает, что среди всех типов
датчиков температуры наиболее широкое распространение получили
термопары, резистивные датчики температур (РДТ) и термисторы
(терморезисторы) Ниже приводятся некоторые обобщенные данные
таких датчиков, позволяющие определить область их применения
(табл. 2.1).

Таблица 2.1

Обобщенные данные датчиков температуры

Датчик	Термопара	РДТ	Термистор

Диапазон темпе- От —270 до +2320	От —200 до +1 000	От -40 до +1000

ратуры, °С

Чувствитель-	6—60 мкВ/°С	0,4 Ом/°С	400 Ом/°С

ность

Регистрируемая	Напряжение	Сопротивление	Сопротивление

величина

Разрешающая	0,1—5	0,01—0,1	0,1—1

способность, °С

Термопары. Термопарой называют устройство, представляющее
собой два проводника из разнородных металлов или сплавов со свар-

ным контактом или спаем на одном из концов. Если температура спая

0	500	1000	1500	2000

Температура, °С

Рис. 2.1. Основные характеристики типо-
вых термопар:

Е — хромель—константан; 1 -— железо—
константан; К — хромель—алюмель; К —
платина—платина + 13 % родия; 8 — пла-
тина—платина + 10 % родия; Т — медь—
константан

и температура свободных концов
термопары различны, то на сво-
бодных концах появится термо-
ЭДС, зависящая от разницы тем-
ператур и конкретной комбинации
материалов двух проводников.
Например, при разнице темпера-
тур спая и концов в 1 °С эта тер-
моЭДС для термопары типа Т
будет равна 39 мкВ, а для термо-
пары типа 8 — 5 мкВ. Комбина-
ции материалов шести наиболее
типичных типов термопар и зави-
симость их термоЭДС от темпера-
туры приведены на рис. 2.1.

Конструктивно термопары поме-
щаются в специальную защитную
оболочку (экран), изготовленную
обычно из нержавеющей стали.
11а рис. 2.2 приведены примеры таких конструктивных решений. У тер-
мопары на рис. 2.2, а спай открыт и выходит за пределы оболочки, что
дает возможность измерять температуру некоррозийных газов и обес-
печить очень малую постоянную времени. Термопара на рис. 2.2, б не
заземлена и находится внутри оболочки в изолирующем порошке,
такое решение необходимо для проведения измерений медленно
меняющихся температур в коррозийной среде. У термопары на
рис. 2.2, в спай заземлен через экран, что позволяет использовать ее
для измерений температуры в коррозийной среде, а также в условиях
высоких давлений измеряемой среды.

Для определения температуры измеряемого участка с помощью
термопары необходимо измерить термоЭДС горячего спая, для чего
нужно подключить термопару к вольтметру с помощью дополнитель-
ных проводников из однородного хорошо проводящего электрический
ток металла (медь, серебро, золото, алюминий и т.п.). В этом случае
мы имеем еще два спая (холодных) в местах соединения проводников
термопары и вольтметра, в силу чего в цепи вольтметр—термопара
появляется дополнительная термоЭДС, противоположная по знаку
термоЭДС горячего спая, поэтому показания вольтметра будут про-
порциональны разности термоЭДС и зависеть уже от разности темпе-
ратур горячего и холодного спаев. Ясно, что в этом случае для получе-
ния интересующей нас температуры горячего спая необходимо
скомпенсировать температуру холодного спая, для чего в цепь вольт-
метр—термопара вводят компенсирующее напряжение. Обычно в
таких случаях применяются специальные микросхемы, что избавляет
пользователя от весьма рутинной работы.

Зависимость термоЭДС от температуры является слабонелинейной,
в силу чего для получения точных значений температуры по измерен-
ным значениям напряжения необходимо хорошо откалибровать каждую
термопару, особенно если она сделана для специальных применений.
В этом случае следует использовать высокоточную измерительную
аппаратуру. Однако на практике, в большинстве случаев, пользуются
стандартными типовыми термопарами, для которых составлены тари-
ровочные таблицы.

Экран

Рис. 2.2. Варианты исполнения термопар
Напряжение на выходе термопары очень мало, поэтому важное зна-
чение приобретает способ подключения термопары к зажимам изме-
рительного устройства, чтобы уменьшить влияние помех на результат
измерений. Обычно такое подключение осуществляется по трехпро-
водной схеме, что приводит к взаимокомпенсации токов помехи. Реже
на входе измерительного устройства ставится активный фильтр, кото-
рый существенно снижает уровень помех, не меняя или даже усиливая
сигнал термопары. Такой способ дороже и применим в случае непере-
крытия спектров помехи и сигнала термопары.

Способность термопары реагировать на изменение температуры
определяется ее постоянной времени, которая зависит от конкретной
компоновки измерительной системы с точки зрения эффективности
теплопередачи и от характеристик окружающей среды. Постоянная
времени увеличивается при возрастании диаметра спаенных проводов
и массы защитной оболочки.

Резистивные датчики температуры (РДТ). В основу работы
таких датчиков положен принцип изменения электрического сопро-
тивления проводников, выполненных из металла, в зависимости от
температуры:

“У “V Vх и1*	“2х	.....

сопротивление при температуре Т °С; /?0

сопротивление

при температуре О °С;

константы, г - 1, .

п.

Число членов, содержащихся в выражении, зависит от материала,
интервала температур и требуемой точности. Для получения высокой
точности в широком диапазоне температур в случае применения пла-
тиновой проволоки в датчике вышеприведенное выражение должно
содержать три члена, для никеля и меди выражение содержит четыре
члена, в ограниченном диапазоне температур (0—100 °С) хорошую
точность обеспечивает аппроксимация вида

На рис. 2.3 приведены зависимости от температуры для
широко используемых резистивных датчиков.

К настоящему времени наиболее распространены РДТ на основе
платины, хотя продолжают применяться медные и никелевые, в основ-
ном в силу своей невысокой стоимости.

Сопротивление элементов резистивных датчиков температуры
обычно лежит в диапазоне 10—25 000 Ом. Платина используется в

диапазоне температур от —267,78 до +1010 °С; медь

в диапазоне от

-195,56 до +260 °С; никель

при температуре от —195,56 до +426,67 °С.
Рис. 2.3. Зависимости относительного сопротивления от температуры Т для

наиболее часто применяемых материалов

Температура, преобразованная РДТ в сопротивление, определяется
по падению напряжения, образуемого постоянным или переменным
гоком, протекающим по этому сопротивлению от стабильного источ-
ника тока. Поскольку РДТ конструктивно могут быть двух-, трех- и
четырехпроводными, то существуют различные схемы подключения
датчиков к измерителю, что будет показано в следующем параграфе.

Постоянный ток или действующее значение переменного тока

обычно выбирается в пределах 2

20 мА, чтобы погрешность за счет

самонагрева РДТ не превышала заданного предела. В особых случаях,

когда возможно допустить увеличение погрешности измерения, специ-
ально увеличивают ток через РДТ для получения более сильной зави-

симости выходного напряжения от температуры.

Термисторы. Термисторами или терморезисторами называют тер-
мочувствительные резисторы, изготовляемые из полупроводниковых
материалов (смеси сульфидов, селенидов, оксидов никеля, марганца,
железа, кобальта, меди, магния, титана, урана и др.). Такие материалы
формируются в небольшие шарики (бусинки), диски, стержни, арми-
руемые стеклом или эпоксидной смолой.

Область применения термисторов чрезвычайно обширна. Сущест-
вуют два типа термисторов: с положительным и отрицательным тем-
пературным коэффициентом сопротивления (ТКС). Зависимости
сопротивления термисторов этих типов от температуры показаны на
рис. 2.4. Здесь же для сравнения приведена температурная зависи-
мость сопротивления платинового РДТ. Из-за специфического вида
зависимости К(Т) термистор с положительным ТКС используется в
переключающих схемах, например, в качестве термостатирующего
реле для контроля и регулирования температуры в печи. Температура
30	70 НО 150

Температура, °С

Рис. 2.4. Температурные зависимости
сопротивления термисторов и платино-
вого РДТ

переключения может изменяться
для разных термисторов от -20 до
+125 °С.

В измерительных схемах приме-
няются только термисторы с отри-
цательным ТКС, значение которого
может составлять несколько про-
центов на 1 °С, что позволяет
использовать эти датчики для
фиксации малых изменений темпе-
ратуры, которые не могут быть
наблюдаемы с помощью РДТ и
термопар. Однако зависимости
К(Т) для термисторов существенно
более нелинейны, что видно из

сравнения графиков на рис. 2.3 и 2.4. Поэтому для точных измерений
каждый термистор необходимо откалибровать, т.е. найти индивиду-

альную температурную зависимость сопротивления для каждого тер-
мистора, на что требуются эталонные устройства и высокоточные
измерители. На практике часто используют эмпирические соотноше-
ния К(Т), например, такого вида

Кт=К^{Ъ{\/Т- 1/ВД,

где Кт— сопротивление термистора, Ом, при измеряемой температуре
Т, К; /?о — сопротивление термистора при некоторой известной темпе-
ратуре Тц (обычно 298,15 К) при отсутствии самонагрева. Значение 7?о
имеет диапазон от единиц ом до 10 мОм, причем термисторы с высо-
ким сопротивлением используются для измерения высоких темпера-
тур, с низким сопротивлением — для измерения низких температур.
Параметр Ъ, называемый характеристической температурой, зависит
от материала термистора и слабо возрастает с увеличением темпера-
туры, его типичное значение 4000 К.

Учитывая широкое применение термисторов в различных измери-
тельных задачах (и не только в измерениях температуры), приведем
некоторые терминологические определения, которые должны приво-
диться в паспортных данных.

Сопротивление при нулевой мощности рассеяния К — это сопро-
тивление термистора при температуре, измеренной в отсутствие само-
нагрева, когда рабочий ток, протекающий через термистор, не более
100 мкА.

Температурный коэффициент сопротивления (ТКС) а#, характери-
зующий чувствительность термистора, определяется как отношение
скорости изменения сопротивления (при изменении температуры) к
сопротивлению при нулевой мощности рассеяния. Размерность ТКС
— проценты на 1 °С (%/°С).

Коэффициент диссипации 5 — мощность в милливаттах, вызываю-
щая увеличение температуры термистора на 1 °С по отношению к тем-
11сратуре окружающей среды.

Постоянная времени т — время, за которое температура, указывае-
мая термистором, изменяется на 63,2 % от разности его начальной
температуры и новой измеряемой температуры окружающей среды с
неподвижным воздухом, куда он помещен.

Стабильность — способность термистора в течение длительного
времени сохранять свои характеристики.

Таблица 2.2

Параметры термисторов

Параметр

Бусинка
в стеклянной
оболочке

Бусинка
в стеклянных
зондах или
стержнях

Бусинка
в стеклянных
баллонах

Диски

Стержни

Диаметр, см

0,013—0,222

0,13—2,54

0,13

0,317—5,08

0,025—0,941

/? при 25 °С, Ом

20-106

1—20-106

100—20-106

1 106

МО6

Длина или толщи-
на, см

5—400

15—800

150—200

150—200

150—200

100

тах’

0,012—0,050

0,030—0,100

0,001—0,050

0,050—3,50

тах»

подвижном воздухе
(теплоотвод от
шайб)

10—125

5 при 25 °С, мВт/°С,
в неподвижном воз-
духе (теплоотвод от
шайб)

0,045—0,800

0,004

Отказы, %/год

0,05—0,20

0,05—0,20

Самонагрев зависит от рассеиваемой мощности Ртах в термисторе,
которая обусловлена протекающим рабочим током, и проявляется в
нагреве термистора выше температуры окружающей среды. Отметим,
что для некоторых применений самонагрев обеспечивается специ-
ально, например при измерениях потока жидкости или газа.

Максимальная рабочая температура Гтах — верхний предел темпе-
ратуры, при котором термистор может работать без изменения ста-
бильности своих характеристик.

В табл. 2.2 приведены основные параметры термисторов разных
типов.

Подключение термисторов к измерительному прибору можно осу-
ществить по простой двухпроводной или мостовой схеме.

При необходимости нелинейную характеристику резистора К(Т)
можно линеаризовать с помощью компенсирующего резистора, под-
ключаемого параллельно или последовательно к термистору. Однако
надо иметь в виду, что линеаризация уменьшает ТКС.

2.1.2.	Датчики перемещения

К датчикам перемещения относятся устройства, позволяющие пре-
образовать различные виды перемещения (линейное, угловое, круго-
вое), а также скорость и ускорение на входе в электрический сигнал на
выходе. Ниже мы остановимся на наиболее типичных преобразовате-
лях перемещения — тензодатчиках, линейных дифференциальных
трансформаторах и пьезодатчиках.

Резистивные тензодатчики (тензорезисторы). Тензорезисторами
называют такие измерительные преобразователи, сопротивление кото-
рых изменяется в результате воздействия на него деформации, возни-
кающей при перемещении контролируемого объекта. Резистивные
тензодатчики можно разбить на два класса: металлические и полупро-
водниковые; эластичные.

Датчики первого класса применяются при очень малых переме-
щениях (более 20 мкм) и при приложении больших усилий в про-
цессе измерения, т.е. используются при измерениях силы, давления
и ускорения. Датчики эластичного класса могут измерять очень
большие перемещения (до 50 % собственной длины) и поэтому
применяются в медико-биологических исследованиях для регист-
рации статических и динамических изменений в кровеносных

сосудах, сердце и т.п.

Электрическое сопротивление тензорезистора зависит от его
длины Ь, поперечного сечения и удельного электрического сопротив-
ления р. При растяжении тензорезистора площадь поперечного сече-
ния уменьшается и изменяется его удельное электрическое сопротив-
ление (так называемый тензорезистивный эффект), что и приводит,
как правило, к увеличению общего сопротивления самого датчика в

соответствии с выражением

ШК = (1 + 2л)АГ/С + Ар/р,
। (с А/?//? — относительное изменение сопротивления; $ — коэффици-
сн г Пуассона; ЛЬ/Ь — относительное изменение длины; Ар/р — отно-

си гельное изменение удельного сопротивления.

Для сравнения характеристик тензорезисторов вводится коэффици-
ент тензочувствительности материала (чувствительность к деформации)

АЛ/Л

АА/1 ‘

В табл. 2.3 приведены коэффициенты тензочувствительности и
ГКС для различных тензочувствительных материалов.

Таблица 2.3

Свойства некоторых тензочувствительных материалов

Материал

Состав (%) или тип материала

Коэффициент
тензочувстви-
тельности

ТКС,

Константан
(улучшенный)

Изоэластик

№(45)-Си(55)

№(36)-Сг(8)-Ге(32)-Мп(4)-$1(4)-Мо(4)

Карма

Манганин

Никель

№(74)-Сг(20)-Ге(3)-Си(3)
Си(84)-Мп(12)-№(4)
Чистый

0,3... 0,47

-12...-20

670

Нихром

№(80)-Сг(20)

Кремний

Полупроводник р-типа

Кремний

Полупроводник и-типа

2,1...2,63	10

100... 170	70...700

-100...-140 70...700

Германий

Полупроводник р-типа

102

Германий

Полупроводник п-типа

-150

Из табл. 2.3 видно, что полупроводниковые материалы значительно
превосходят металлы по коэффициенту тензочувствительности к
деформациям, причем этот коэффициент определяется в основном
пьезорезистивным эффектом в отличие от металлов, где чувствитель-
ность определяется главным образом изменением геометрических раз-
меров датчика. В то же время у полупроводниковых тензодатчиков
очень высок ТКС, что ограничивает их применение, поскольку требует
соответствующей поправки на температуру.
Металлические тензорезисторы используются в качестве свобод-
ных или приклеиваемых тензодатчиков. В первом случае датчик
оформляется в виде провода, натянутого между точками деформируе-
мого объекта. Для компенсации температурного влияния на результат
измерений пользуются четырьмя датчиками, укрепляемыми попарно
(два работают на растяжение и два — на сжатие) и включаемыми в
полную мостовую измерительную схему. При этом ток, протекающий
по датчикам, должен вызывать минимальное тепловое расширение
проводов во избежание ослабления их натяжения, что могло бы при-
вести к увеличению погрешности измерений. На рис. 2.5 показан при-
мер установки свободных тензодатчиков.

Приклеиваемые тензорезисторы могут быть трех видов — прово-

лочные, пленочные и спиральные, сюда же относят и полупроводнико-
вые тензорезисторы пленочного типа. Типичные приклеиваемые тен-
зодатчики изображены на рис. 2.6.

Выводы

Фетр

Основа

Т ензочувствите льная

проволока

Свободный тензодатчик

Неподвижный элемент
конструкции (рама)

Подвижный элемент
конструкции (арматура)

Рис. 2.5. Четыре тензодатчика образующих мостовой тензопреобразователь

Основа

Рис. 2.6. Типичные приклеиваемые тензодатчики

Выводы

О О

Спиральная
проволока

Основа


Следует отметить, что у металлических терморезисторов относи-

гельное изменение сопротивления весьма мало (не более 1 %), а

потому надо обращать особое внимание на учет температурных влия-

ний на сопротивление датчика. Самый эффективный путь здесь

использование полного измерительного моста, сбалансированного
четырьмя тензодатчиками, о чем говорилось выше. В других случаях
необходимо использовать каждый активный датчик в паре с компенси-
рующим датчиком, закрепляемым на том же объекте, но в ненапряжен-
ном состоянии, в силу чего он будет компенсировать влияние тепло-

вого расширения от тока моста и температурную зависимость
сопротивления.

Чувствительный элемент для полупроводниковых тензодатчиков
нарезается из специально обработанных полупроводниковых кристал-
лов (кремний, германий). Такой элемент дает высокую тензочувстви-
тельность в основном за счет пьезоэлектрического эффекта, но для
него характерны также высокая термочувствительность, нелинейная
характеристика преобразования перемещение—сопротивление и

сложность установки самого датчика, поскольку на тензочувствитель-

ность последнего сильно влияет ориентация кристалла.

Существенным моментом при использовании тензодатчиков явля-
ется правильная установка последних на контролируемом объекте:
необходимо учитывать тип тензочувствительного материала, материал
образца, длину датчика, внутреннюю топологическую структуру (рас-
положение, ориентацию, конфигурацию чувствительного элемента,
тип выводов), полное сопротивление.

Эластичные тензодатчики применяются для медико-биологических

измерений. Как правило, датчик представляет собой тонкую резино-

вую трубку, заполняемую ртутью, пастообразным электролитом или
проводящей ток пастой. В концы трубки герметично вмонтированы
проводящие электроды из меди, платины или серебра. При растяже-

нии такого датчика диаметр трубки уменьшается, что приводит к уве-
личению сопротивления. Такие датчики измеряют значительно боль-

шие перемещения, чем неэластичные тензодатчики.

Подключение тензодатчика к измерителю в подавляющем числе
случаев осуществляется через мостовую измерительную схему (мост
Уинстона), питание которого может осуществляться постоянным или

переменным напряжением.

Мост имеет четыре плеча, в каждое из которых может быть вклю-
чен измерительный тензорезистор. Различают схемы: четвертьмосто-
вую, когда в одно из плечей включен только один тензорезистор; полу-

мостовую, когда в противоположные плечи моста включено по одному
тензорезистору, один из которых работает на растяжение, другой на
сжатие, и полную мостовую, когда в каждое плечо моста включен
измерительный тензорезистор, причем в противоположных плечах
тензорезисторы работают, как в полумостовой схеме.

Отметим, что полная мостовая схема имеет наибольшую чувстви-
тельность по напряжению (вдвое меньше чувствительность у полу-
мостовой и в четыре раза — у четвертьмостовой схемы). Кроме этого,
выходной сигнал моста уменьшается с подключением нагрузки, како-
вой является входное сопротивление измерительного устройства.
Поэтому необходимо подключение усилителя с большим входным
сопротивлением между выходом моста и входом измерителя. Особое
внимание уделяется источнику питания моста, поскольку из-за низкого
входного сопротивления тензодатчиков (120—150 Ом) падение напря-
жения в подводящих проводах может приводить к заметному умень-
шению питающего напряжения, что повлияет на выходной сигнал
моста. Следовательно, усилитель должен скомпенсировать влияние
сопротивления подводящих проводов, что реализуется применением
специальных источников питания с четырехпроводным подключением
к мостовой схеме. Если к тому же этот источник применяется и при
формировании опорного напряжения для измерителя (например, для
АЦП), то выходной сигнал измерителя будет менее чувствителен к
изменению напряжения питания моста. Измерительный мост может
питаться и от источника переменного тока, однако в этом случае
усложняется схемная реализация измерительной системы.

При практическом пользовании мостовым измерителем необхо-
димо знать его реальную чувствительность, которую определяют при
калибровке моста по схеме, приведенной на рис. 2.7.

Мост балансируется при разомкнутом ключе в плече с калибровоч-
ным сопротивлением Лк, затем ключ замыкается и на выходе моста

Регулировка

чувствительности

Подстройка
нуля

К устройству
измерения

Рис. 2.7. Мостовая схема с калибровкой и балансировкой моста


фиксируется напряжение разбаланса ЛЦ, после чего вычисляется чув-

стви гельность моста:

5 = АП/А/?,

где △/? = К2 - к2кк(к2 + Як)-

Эта же схема позволяет производить регулировку полной чувстви-
тельности схемы с помощью переменного резистора Кп без изменения

напряжения источника питания С7П, что позволяет производить замену

тензорезисторов. Она позволяет также получить с помощью резисто-
ров /?о| и Т?о2 на выходе точный нуль при нулевом значении измеряе-

мой величины даже тогда, когда плечи моста не обеспечивают его пол-

ную балансировку.

Линейные дифференциальные трансформаторы. Линейный

дифференциальный трансформатор (ЛДТ) преобразует линейное
перемещение ферритового сердечника внутри обмоток (одной пер-

вичной ип и двух вторичных и'в] и ив2) в электрический сигнал.

Сами обмотки симметрично расположены внутри магнитного
экрана (рис. 2.8).

Магнитный поток возбуждается напряжением на первичной

обмотке и замыкается через ферритовый сердечник на вторичные
обмотки, в которых наводится ЭДС. В силу встречно-последователь-
ного включения этих обмоток выходное напряжение ЛДТ будет
представлять собой разность индуцированных ЭДС. При центральном
положении сердечника выходное напряжение ЛДТ будет равно нулю,

при смещении сердечника в ту или иную сторону от центрального
положения переменное напряжение на выходе ЛДТ будет увеличи-
ваться по амплитуде одинаково, но фазы будут различаться на 180°.
Таким образом, амплитуда сигнала ЛДТ является функцией положения
сердечника, а фаза — функцией направления. Первичная обмотка ЛДТ

Магнитный экран

Первичная
обмотка

Вторичная
обмотка 2

Вторичная
обмотка 1

:<Шрритошй сердечник

нм'иТ 1 / I нГИ~1|ТМЛ 11

Вторичная
обмотка 2

Первичная
обмотка

Вторичная
обмотка 1

Рис. 2.8. Линейный дифференциальный трансформатор (конструкция и принци-
пиальная схема)




обычно возбуждается переменным напряжением синусоидальной
формы с частотой от 60 до 20 000 Гц и действующим значением от 3 до
15В. Поэтому ина выходе ЛДТ будет относительно высокочастотный
гармонический сигнал, частота которого равна частоте возбуждающего
напряжения, а амплитуда модулируется низкочастотным перемеще-
нием сердечника. Чтобы выделить низкочастотную составляющую
выходного сигнала, его необходимо демодулировать с помощью фазо-
чувствительных устройств, к которым относятся мостовые демодуля-
торы, кольцевые демодуляторы и аналоговые перемножители.

В заключение отметим основные весьма привлекательные особен-
ности ЛДТ:

отсутствие трения (отсутствует физический контакт между сердеч-
ником и обмотками);

неограниченный срок службы (отсутствие трения означает отсутст-
вие механического износа ЛДТ);

неограниченное разрешение (отсутствие трения и индукционный
принцип работы, реализующий линейную связь перемещения сердеч-
ника с взаимной индуктивностью сердечника и двух обмоток, позво-
ляет ЛДТ выдавать выходной сигнал даже при минимальных переме-
щениях сердечника);

стабильность нуля (симметрия конструкции ЛДТ обеспечивает
отсутствие дрейфа нуля);

полная электрическая развязка входа и выхода.

Пьезоэлектрические преобразователи. В основе действия пьезо-
электрических преобразователей лежит свойство некоторых материа-
лов преобразовывать механическое воздействие в электрический
заряд. Механическое воздействие на пьезоматериал приводит к иска-
жению его несимметричной кристаллической решетки, что вызывает
перераспределение электрических зарядов внутри ее, в результате чего
на противоположных поверхностях материала наблюдается увеличе-
ние или уменьшение количества зарядов соответствующего знака.

Пьезоматериалы могут быть активного и пассивного типов. Первый
тип генерирует электрический сигнал в ответ на механическое воздей-
ствие, в материале второго типа это воздействие вызывает изменение
лишь электрических характеристик. Первый тип пьезоматериала обла-
дает и обратным свойством, когда воздействие электрического сигнала
вызывает механическую деформацию кристаллической решетки.

Пьезоматериалы могут быть природного происхождения и синте-
тическими. Природные материалы (кварц, сегнетова соль, дигидро-
фосфат аммония) проявляют пьезоэффект без какой-либо предвари-
гельной обработки, синтетические же материалы (керамика и
полимеры) в обычном состоянии не проявляют достаточного пьезо-
эффекта. Именно поэтому их предварительно подвергают процессу
поляризации, для чего материал помещают в сильное электрическое
поле при температуре, превышающей некоторую заданную, после
чего производят охлаждение образца в этом электрическом поле.
Заданная при поляризации температура определяет максимальную
температуру, до достижения которой пьезоэлектрические свойства
еще сохраняются. Например, для цирконата-титаната свинца (кера-
мического пьезоэлектрика) поляризующая температура равна при-
мерно 365 °С.

Акселерометры. Пьезокерамические акселерометры широко
используются для вибрационных измерений из-за прочности, надеж-
ности и простоты устройства. Наиболее распространены две основные
базовые конструкции акселерометров. Акселерометры первого типа
работают в компрессионном режиме, а акселерометры второго типа —
в сдвиговом режиме.

Акселерометр компрессионного типа состоит из круглого керами-
ческого диска, зажатого между основанием преобразователя и срав-
нительно тяжелой сейсмической массой, что показано на рис. 2.9.

Преобразователи в таких устройствах обычно находятся под пред-
варительной нагрузкой для исключения растяжений материала, при
наличии которых трудно обеспечить механическую связь. Приложе-
ние положительных или отрицательных нагрузок к преднагруженному
преобразователю приводит к генерации соответствующих плюсовых
или минусовых потенциалов, так как выходное напряжение пропор-
ционально отклонению нагрузки от ее значения в исходном состоянии.

Полусферическая
пружина
Керамика

Электроды

а)



Керамика

Электроды

Соединительный провод

Масса

Рис. 2.9. Базовые конфигурации акселерометров:

а — компрессионный акселерометр с винтовой пред нагрузкой; б — компрессионный акселе-
рометр с пружинной преднагрузкой; в — акселерометр сдвигового типа
2.2.	Типы измерительных схем и способы борьбы
с помехами

Реальный сигнал, поступающий на вход измерительного прибора,
всегда представляет собой сумму полезного сигнала и сигнала помехи
как линейно независимых составляющих. Полезный сигнал несет
информацию об измеряемой физической величине. Сигнал помехи,
наоборот, имеет постороннее происхождение и поэтому не несет
полезной информации о предмете измерения. Помехи могут иметь
детерминированный или случайный характер.

Наличие помех вносит дополнительную погрешность в результат
измерений полезного сигнала. В ряде случаев, главным образом при
измерениях малых сигналов, вопросы борьбы с помехами приобре-
тают исключительно важное значение.

Неотъемлемой частью измерительной системы являются измери-
тельные линии связи с объектом измерения. Длина их может сос-
тавлять от 10 до 100 м и более. Такие линии неизбежно становятся
источниками электрических помех. На первый взгляд, простейший
способ относительного уменьшения влияния помех заключается в
предварительном усилении сигнала, но если это требуется осущест-

вить для десяткоа и сотен измерительных каналов, то система усилите-

лей вблизи объекта измерения превращается в сложный, дорогой и,

главное, требующий частой подстройки агрегат. Между тем, источни-

ками помех могут быть не только линии связи, но и сами датчики. В

этом случае усиление сигнала не даст требуемого эффекта. Таким
образом, весь измерительный тракт системы должен быть тщательно

выверен с точки зрения происхождения и локализации возможных

помех.

Помехи классифицируются по своему

Методы борьбы с помехами сводятся, с одной стороны, к мерам по
уменьшению значения самого сигнала помехи, а с другой — к приме-
нению активных средств подавления сигнала, фильтрации и т.п.

происхождению. Различают
помехи нормального и общего видов.

Помехи нормального вида образуются в измерительных цепях и
самих датчиках от посторонних источников электрических и (или)
магнитных полей. Практическое название таких помех — наводки.
Как правило, это электромагнитные наводки от силовых кабелей,
трансформаторов и т.п. (рис. 2.10). Типичными для помех этого вида
являются частота промышленной сети 50 Гц и ее гармоники. В ряде
случаев возникают электростатические помехи (рис. 2.11).

Первым шагом в борьбе с наводками должны быть меры по умень-
шению амплитуды сигнала помехи. Если причиной помехи являются
внешние электрические поля, то для измерительных цепей следует
применять экранированные или коаксиальные кабели, реализующие
двухпроводную (рис. 2.12) или трехпроводную (рис. 2.13) схему под-
ключения к измерительному прибору.

Если причиной помехи являются внешние магнитные поля, а точ-
нее — изменения магнитного потока через замкнутый контур измери-
тельной линии, то следует принять меры к уменьшению суммарной
ориентированной площади контура, например, путем скрутки прово-
дов измерительной линии с достаточно малым шагом. Наконец, в
любом случае существует возможность наиболее рационального, с
точки зрения снижения влияния помех, размещения датчиков и линий
относительно источников наводок.

Следующим шагом борьбы с наводками может быть один из спосо-
бов активной обработки или фильтрации сигнала. Здесь наибольший
эффект достигается, когда полезный сигнал является постоянным или
медленно меняющимся во времени по сравнению с сигналом помехи.
В этих случаях наиболее часто применяются измерители типа аналого-
цифровых преобразователей (АЦП) интегрирующего типа. АЦП этого
типа в процессе измерения интегрируют поступающий сигнал на
интервале времени, равном или кратном периоду промышленной час-
тоты. Нетрудно показать, что при этом периодическая составляющая
помехи даст практически нулевой вклад в результат, сам же результат
будет близок к среднему за период интегрирования значению полез-
ного сигнала.

Для АЦП интегрирующего типа быстродействие уменьшается с
увеличением интервала интегрирования (усреднения), т.е. повышение
точности измерения уменьшает быстродействие, что ведет, в свою оче-
редь, к ограничению диапазона измеряемых сигналов. Для повышения
точности измерений интервал интегрирования может быть увеличен

Источник

Рис. 2.10. Влияние электромагнитных
помех

-------1----------1------- помех

।	।

_ е _	_ е _ Паразитная

“г -	- г - емкость

1	।

-------1__________I_______ т-г

Измерительный

канал

Рис. 2.11. Влияние электростатических
помех

Источник
помех

Рис. 2.12. Экранирование в двухпровод-
ной схеме

Рис. 2.13. Экранирование в трехпровод-
ной схеме
до нескольких периодов промышленной частоты, тогда быстродейст-
вие уменьшается до 4—5 измерений/с. Такая скорость в большинстве
практических случаев оказывается вполне приемлемой для процессов,
протекающих в низком и умеренном темпе.

В реальном АЦП из-за неидеального интегрирования часть сигнала
помехи «просачивается» в результат измерения, внося свой вклад в
общую погрешность измерения полезного сигнала. Чтобы иметь воз-
можность оценить эту часть погрешности, для интегрирующих АЦП
паспортизуется степень подавления помех нормального вида.

Помехи общего вида возникают в измерительных цепях из-за про-
текания по ним паразитных токов. Фактически это токи утечки, обу-
словленные неидеальностью изоляции измерительной схемы прибора
от его же заземленного корпуса. Значения этих токов малы — на
уровне единиц микроампер, однако они способны создать ощутимое
падение напряжения на измерительной линии, электрическое сопро-
тивление которой может быть значительным, если линия включает,
например, провода термопары с большим сопротивлением. Без специ-
альных мер защиты от паразитных токов помеха общего вида может
достигать сотен микровольт. При измерении слабых сигналов такой
помехой пренебречь нельзя.

Наиболее подвержены помехам общего вида обычные измеритель-
ные схемы с двухпроводным подключением источника сигнала
(рис. 2.14). Следует заметить, что такие схемы нередко применяются
при измерении слабых сигналов. В этом случае для двухпроводной
измерительной схемы меры борьбы с помехами общего вида фактиче-
ски сводятся к уменьшению сопротивления измерительных линий и к
выбору прибора с возможно большим сопротивлением току утечки от
измерительного устройства на внешний заземленный (или занулен-
ный) корпус.

Измерительное
устройство

Рис. 2.14. Влияние помех общего вида в двухпроводных измерительных цепях
заземления

Измерительное
устройство

Рис. 2.15. Применение трехпроводной схемы подключения датчика для борьбы
с помехами общего вида

Однако самым эффективным способом борьбы с помехами общего
вида является применение трехпроводной измерительной схемы
(рис. 2.15), которая рекомендуется при подключении датчиков с
малым уровнем выходного сигнала.

2.3.	Преобразователи и кондиционеры сигналов

В предыдущем параграфе было отмечено, что полезные сигналы
малого уровня наиболее подвержены влиянию помех различного вида.
К тому же измерение слабых сигналов всегда сопряжено с использова-
нием сложных и дорогостоящих измерительных устройств. Кроме того,
во многих системах автоматизации, как правило, решаются задачи мно-
гоканальных измерений (сотни и тысячи каналов) сигналов от различ-
ных типов датчиков, имеющих различные типы сигналов (аналоговые
— напряжение или ток, частотные), а также различные уровни сигналов
— от микровольт до сотен вольт. Для статических и медленно меняю-
щихся процессов эта проблема может решаться путем использования
цифровых вольтметров, имеющих несколько диапазонов измерений,
цифровых частотомеров и многоканальных помехозащищенных комму-
таторов (мультиплексоров). Для быстро протекающих процессов такое
решение не подходит, и требуется применение большого числа доро-
стоящих вольтметров или группирование измерительных каналов по
уровням сигналов и их частотному диапазону с дальнейшим использо-
ванием не только цифровых приборов, но и более дешевых модульных
средств измерения. В обоих случаях решения получаются достаточно
дорогими.

Известно, что наиболее экономичную измерительную систему
можно построить при наличии однотипных измерительных сигналов с
достаточно высоким уровнем амплитуды. Для приведения сигналов с
датчиков к единому нормированному уровню (например, к аналоговому
сигналу 0—10 В) в системах автоматизации широко используются раз-
личные преобразователи или кондиционеры сигналов. К ним относятся:

усилители (рис. 2.16);

аттенюаторы (рис. 2.17);

преобразователи напряжение—ток (рис. 2.18);

преобразователи частота—напряжение (рис. 2.19);

схемы гальванической развязки (рис. 2.20);

специальные измерительные схемы (рис. 2.21).

В настоящее время выпускается широкая номенклатура различ-
ных типов преобразователей и кондиционеров сигналов, позволяю-
щих привести различные виды и уровни сигналов от датчиков к
одному нормированному виду, удобному для ввода их в экономич-
ные измерительные устройства. Грамотное использование преобра-
зователей и кондиционеров при построении измерительных систем
и каналов позволяет получить во многих случаях двойной эффект:
повысить защиту измерений от помех и оптимизировать стоимость
измерительной системы за счет экономии на дорогостоящих изме-
рительных приборах.

100-200 мВ

0-10 В

0-100 в

0-10 в

Рис. 2.16. Усилитель с нормирован-
ным выходом 0—10 В

Рис. 2.17. Аттенюатор с нормирован-
ным выходом 0—100 В/0—10 В

Рис. 2.18. Преобразователь напряже-

ние—ток

Рис. 2.20. Варианты схем гальваниче-

ской развязки

100 Гц-1 МГц

0-10 В

Рис. 2.19. Преобразователь частота
напряжение
Контрольные вопросы к главе 2

1.	В чем состоит особенность современных датчиков физической величины,

что представляет собой такой датчик?

2.	Какие принципы положены в основу работы датчиков температуры?

3.	Поясните устройство датчика типа термопара, что означают термины
«горячий спай» и «холодный спай»?

4.	Укажите основные принципы работы датчиков перемещения и измеряе-
мые ими физические величины.

5.	Какие классы резистивных тензодатчиков вы знаете?

6.	Что такое «термистор», какова область применения этих датчиков.

7.	Каков принцип действия линейного дифференциального трансформатора?

8.	Виды помех и типы схем для измерения реального сигнала

9.	Назначение и типы кондиционеров сигналов.

10.	Что такое кондиционеры сигналов? Какие типы кондиционеров вы знаете?
Глава третья
СТАНДАРТНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ
И КОНФИГУРАЦИЯ ИИС

Общие положения

Технология системной интеграции в проектировании ИИС предпо-

лагает выбор элементов технического обеспечения из числа стандарт-
ных изделий, наиболее подходящих для решения поставленной задачи

и выбранной структуры системы. Рассмотрим более подробно основ-

ные типы стандартной аппаратуры, используемые в системах разной
конфигурации.

Среди лидирующих стандартов на элементы аппаратуры*, обеспе-
чивающих создание практически всего многообразия структур ИИС,

выделяются следующие:

стандарты на конструктивное исполнение плат, модулей, приборов
и стоек: ИШ, Евромеханика;

стандарты на приборные интерфейсы: 1ЕЕЕ-488.1,1ЕЕЕ-488.2;

стандарты расширения ввода/вывода ПЭВМ для использования
серийных компьютеров в системах управления и измерений: РС1,
РСМС1А;

стандарты на интерфейсы магистрально-модульных ИИС: УМЕ,
УХ1, 8СХ1, РХ1;

стандарты на интерфейсы внешних устройств ПЭВМ: К.8-232,
К.8-422, К8-485, И8В;

стандарты на средства связи и локальные сети для распределенных
систем контроля и управления: С1, С2, М1Е-8ТЭ/1553В.

3.1.	ИИС на базе встроенных в компьютер
измерительно-управляющих плат (Р1идт-сагс1)

Встраиваемые в компьютер измерительно-управляющие платы пред-
назначены главным образом для создания персональных измерительно-
управляющих систем экономичного и среднего классов с небольшим
(до 100) числом каналов. Встраиваемые в компьютер платы (Р1и§т-
сагс!) начали выпускаться практически с момента появления персо-
нальных ЭВМ. В настоящее время на мировом рынке представлена

* Далее все устройства ИИС, выполненные в указанных стандартах, будем обозначать

названием стандарта.
обширная номенклатура плат Р1и§т-сагс1 практически для всех типов

персональных компьютеров. Среди известных и признанных произ-

водителей наиболее популярны такие фирмы, как: «Кайопа1
1п81титеп1:8», «СотрЩег Воагбз», «АйуагйесН», «1€)1ес11», «ГЭаЮ
Тгап81айоп», «Ь—Сагй», «Руднев—Шиляев». Признанным лидером,
выпускающим самую широкую гамму устройств и имеющим наи-
больший объем продаж, является американская компания «Кайопа!
1п81гитеп18».

Встраиваемые платы Р1и^ш-сагс1 ориентированы на использова-

ние серийно выпускаемых ПЭВМ настольного и портативного

исполнения, имеющих стандартные компьютерные шины РС1,

ние позволяет выполнять в программном режиме различные функ-

ции измерения и управления, а также накопление информации, ее
обработку и отображение как после эксперимента, так и в режиме
реального времени. Встраиваемые Ркцрп-сагд различаются по своим
функциональным возможностям и разделяются на многофункцио-
нальные платы ввода/вывода, платы цифрового ввода/вывода, платы

аналогового ввода/вывода, платы счетчиков/таймеров, платы специ-

ального назначения.

Широкая номенклатура плат специального назначения включает

в себя такие устройства, как платы динамического анализа сигналов

и идентификации объектов, платы управления шаговыми двигателями
и робототехническим оборудованием, платы ввода и обработки изо-

бражений, платы мультиметров, осциллографов, генераторов и т.п.
При выборе Р1и§ш-саг(1 следует учитывать, что платы имеют различ-
ное исполнение в зависимости от используемой стандартной шины

ПЭВМ: ГШВиз, РС1, РСМС1А и т.п. При заказе плат необходимо
ориентироваться на конкретную шину Вашего компьютера. Внеш-
ний вид и конструктивное исполнение типовых Р1и§т-саг<1 представ-

лены на рис. 3.1.

Для работы в системах, содержащих несколько Р1и§т-сагб, необ-
ходимо организовать их синхронизацию. Платы не всех производи-
телей имеют для этого аппаратную и программную поддержку. Наибо-
лее проработанные решения реализованы в платах производства
«Кабопа! Ьззйишегйз» в виде стандартной шины КТ81 Виз, объединяю-
щей специальным кабелем все Р1и§т-сагс1, входящие в систему.
Рис. 3.1. Внешний вид и конструктивное исполнение типовых Р1и§ш-сагй

Устройства и системы на базе компьютерной шины РС1.
В начале 90-х годов в качестве стандартной компьютерной шины
была предложена шина РС1. Стандарт локальной шины РС1
(РепрЬега! Сошропеп! 1п1сгсоппсс1) был принят абсолютным боль-
шинством крупнейших мировых производителей компьютерной тех-
ники (1п1е1, 1ВМ, НР, ВЕС и др.), что привело к массовому внедре-
нию измерительно-управляющих устройств и систем, построенных
на базе этой высокопроизводительной шины [14]. Для адаптации
стандарта РС1 к задачам контроля и управления в 1995 г. группой
производителей и пользователей промышленных компьютеров
(Р1СМС — РС11пди81па1 СотрЩег МапиГасШгегз Огоир) был предло-
жен стандарт Сошрас1РС1.

Сотрас1РС1 в настоящее время является одной из промышлен-
ных шинных архитектур [15, 16]. Стандарт является открытым и
поддерживается более чем 300 фирмами-разработчиками и произво-
дителями. Конструктивно модули и каркасы в стандарте Сотрас1РС1
выполняются в стандарте «Евромеханика» и используют два унифи-
цированных типоразмера плат 100x160 мм (ЗУ) и 233x160 мм (611).

Применительно к измерительным задачам ИИС на базе стандарта
СотрасТРС! разработана спецификация на ИИС в стандарте РХ1, о
котором более подробная информация представлена ниже.
Мезонинные архитектуры. Современные магистрально-модуль-
ные ИИС все чаще используют мезонинную архитектуру построения
измерительно-управляющих модулей и плат.

Мезонинная плата представляет собой малогабаритную плату,
которая самостоятельно выполняет одну или несколько функций
измерения, управления, преобразования или обработки информации.
Мезонинные платы устанавливаются в специальные посадочные
места на унифицированных разъемах базовых плат (плат-носителей)
многофункциональных измерительно-управляющих или вычисли-
тельных модулей [17]. Мезонинная архитектура позволяет создавать
модули с гибкой быстро перестраиваемой структурой за счет замены
одной мезонинной платы на другую силами самого пользователя.
Мезонинные технологии широко используются в модулях и платах
таких стандартных шин и магистралей ИИС, как РС1, Сошрас1РС1,
УМЕ, УХ1, РХ1.

Использование мезонинной технологии изготовления плат и
модулей имеет заметные экономические преимущества. При измене-
нии числа измерительных и управляющих каналов системы или их
модернизации нет необходимости менять целиком модуль ИИС —
меняется лишь мезонинная плата. Наличие на мировом рынке боль-
шого числа мезонинных плат различного функционального назначе-
ния с широким спектром технических характеристик позволяет раз-
работчикам и производителям плат и модулей ИИС использовать
уже готовые мезонинные полуфабрикаты при создании более слож-
ных и многофункциональных устройств. Такой подход к проектиро-
ванию и изготовлению систем весьма перспективен и дает произво-
дителям существенную экономию времени и средств.

Внешний вид, конструктивное исполнение мезонинных плат и их
установка на базовой плате-носителе представлены на рис. 3.2.

Рис. 3.2. Внешний вид, конструктивное исполнение и установка мезонинных плат на
базовой плате-носителе
При выборе и заказе мезонинных плат необходимо иметь в виду
тип базовой платы-носителя, для которой Вы собираетесь их исполь-
зовать, особенности плат приводятся в соответствующих каталогах
фирм-производителей.

3.2.	ИИС на базе стандарта
приборного интерфейса 1ЕЕЕ-488

Приборный интерфейс разработан фирмой «Не\\1с11-Раскагс1» в
1972 г. и принят советом 1ЕЕЕ в качестве международного стандарта
1ЕЕЕ-488 в 1975 г. В СССР был введен соответствующий
ГОСТ 26.003—80 [21]. В современной литературе используются также
другие названия этого стандарта: МЭК 625.1, ОР1В.

Интерфейс ОР1В предназначен для объединения в единую инфор-
мационно-измерительную систему серийно выпускаемых цифровых
приборов (мультиметров, частотомеров, осциллографов и т.п.) и ком-
пьютеров [22, 23]. В качестве объединительной информационной
магистрали используется специальный гибкий кабель. На рис. 3.3
показана система, собранная с использованием стандарта 1ЕЕЕ-488.

С точки зрения программной совместимости и переносимости при-
кладного программного обеспечения (ПО) из одной операционной
среды (ОС) в другую различают два подмножества стандарта 6Р1В:
1ЕЕЕ-488.1 и 1ЕЕЕ-488.2. При реализации стандарта 1ЕЕЕ-488.1 не
обеспечиваются автоматический перенос и совместимость ПО между
различными ОС и различными платформами компьютеров. Стандарт
1ЕЕЕ-488.2 подразумевает сохранение совместимости программных
драйверов с множеством установленных на различные платформы
прикладных программ и возможными вариантами аппаратного испол-
нения средств ОР1В.

ЕО1
кем
8К.О
Ата

1РС

М)ЛС

ПАУ

ЫО 1-8

Прибор-
источник

Шина общего управления

рфейсом (5 линий)

инте

Рис. 3.3. ИИС на базе приборного интерфейса 1ЕЕЕ-488

Прибор -
приемник

Прибор-
источник и
приемник

Прибор-
источник,
приемник
и контроллер

Шина согласования
приема -передачи
данных (3 линии)

Шина данных
(8 линий)
Другое направление стандарта 1ЕЕЕ-488.1 связано с повышением
скорости передачи информации по стандартному кабелю ОР1В. Запа-
тентованный фирмой ЪП протокол обмена данными Н8488 увеличивает
скорость передачи данных до 8 Мбайт/с и повышает производитель-
ность системы за счет сокращения задержек, характерных для трехпро-
водного квитирования протокола 1ЕЕЕ-488.1, сохраняя при этом
совместимость со всеми существующими системами 1ЕЕЕ-488.

Стандарт обеспечивает подключение в одну систему без дополни-
тельных средств расширения до 15 устройств. Максимальная длина
кабельной линии в системе не должна превышать 20 м, иначе не гаран-
тируются предусмотренные стандартом скорость и достоверность
передачи информации. Для функционирования системы на базе при-
борного интерфейса ОР1В необходимо в каждом приборе иметь интер-
фейсные карты, реализующие одну или несколько приборных функций
(источник, приемник, контроллер), характерных для данного прибора.
В компьютере должна стоять плата, выполняющая все эти функции,
так как компьютер работает как управляющее устройство и должен
выполнять все операции. В настоящее время практически все зарубеж-
ные и отечественные цифровые измерительные приборы могут
поставляться с такими картами, поэтому при выборе и заказе прибо-
ров для ИИС необходимо оговаривать наличие интерфейса СР1В для
зарубежных и КОП для отечественных изделий.

Интерфейсные платы ОР1В для компьютеров, поддерживаемые
современными программными пакетами, выпускаются в основном
двумя фирмами: Ащ1еп1 ТесИпо1още8 и КаИопа! ТпБйптепК

3.3.	ИИС на базе магистрально-модульных систем

Архитектура современных и перспективных магистрально-модуль-
ных систем (ММС), ориентированных на применение в ИИС, бази-
руется на интерфейсах второго поколения, которые сменили широко
использовавшиеся в 70-х и 80-х годах КАМАК и МиЖЪиз. Интерфейс
в ММС рассматривается как способ организации каналов передачи
информации между отдельными устройствами, регламентирующий
дисциплину работы и обеспечивающий эффективность функциониро-

вания системы в целом.

Функциональные устройства, входящие в состав ММС (модули),
связываются системной магистралью (СМ), выполненной в виде объе-
динительной печатной платы. Дополнительно отдельные устройства
могут соединяться посредством параллельной локальной шины (ЛШ)
или последовательной магистрали (ПМ). Для объединения определен-
ного числа модулей, составляющих функционально законченный сег-
мент ММС, в единый конструктивный блок используются стандарт-
ные конструктивные элементы — каркасы или крейты.
Основной магистралью, реализующей взаимодействие и объедине-
ние всех модулей в рамках одного крейта, является СМ. Самой быст-
родействующей магистралью, используемой обычно для организации
быстрого обмена информацией между двумя или несколькими (но не
всеми) модулями в крейте, является ЛШ. Последовательная магист-
раль используется, как правило, для связи между крейтами при созда-
нии многокрейтовых систем.

Наиболее общими характеристиками рассматриваемых ММС явля-
ются:

принципы управления (синхронное или асинхронное, централизо-
ванное или децентрализованное);

режимы передачи данных (одиночный, блочный, широковеща-
тельный);

способ адресации (логическая, географическая);

разрядность шин;

мультиплексирование шин адреса и данных.

При работе магистрали используются два основных типа прото-
кола: синхронный и асинхронный. При синхронном протоколе (СП)
все сигналы устанавливаются и проверяются относительно тактового
синхроимпульса, а при асинхронном (АП) — в произвольное время, по
мере готовности модулей, участвующих в обмене информацией. СП
обладает большей помехозащищенностью, так как проверка управля-
ющих сигналов производится на фронте синхроимпульсов, т.е. во
«временном окне», которое обычно составляет около 8 % от общего
времени работы. В остальное время возможные помехи не оказывают
влияния. Синхронный протокол проще в реализации, отладке и тести-
ровании, но менее гибок по сравнению с АП, который особенно удо-
бен при использовании на магистрали модулей с различными скоро-
стями работы. Недостатком СП является также необходимость
централизованного генератора тактовых синхроимпульсов.

Централизованное управление подразумевает наличие в системе
только одного управляющего модуля (контроллера), организующего
работу магистрали при обмене информацией между любыми устрой-
ствами ММС. Децентрализованное управление допускает управление
магистралью любым устройством ММС, имеющим текущие функции
контроллера. Организация децентрализованного управления ММС
требует наличия в системе специального устройства — арбитра шины,
который регулирует процессы «захвата» магистрали одним из модулей
и ее освобождения для другого. Такой вид управления характерен для
мультипроцессорных ММС.
Одиночный режим передачи информации означает, что в каждом
цикле передача—прием, сопровождаемом целым рядом управляющих
сигналов на магистрали, передаются только один или несколько байтов
(слов) данных. Блочная передача подразумевает передачу больших
массивов байтов данных в рамках одного цикла передача—прием на
магистрали. Широковещательный режим используется для передачи
информации от одного источника сразу нескольким приемникам одно-
временно. Реализация блочного и широковещательного режимов пере-
дачи существенно повышает быстродействие и расширяет функцио-
нальные возможности магистрали.

Логический принцип адресации подразумевает посылку адреса уст-
ройства в виде параллельного логического кода по одной из шин маги-
страли. В этом случае код адреса принимается всеми устройствами на
магистрали, но «отзывается» на прием или передачу информации
только одно устройство, собственный адрес которого совпадает с
посланным адресом по адресной шине. Географическая адресация реа-
лизуется посредством индивидуальных сигнальных линий магист-
рали, соединяющих посадочное место контроллера со всеми другими
модулями ММС. Инициализация одной из адресных линий означает
адресацию конкретного устройства. Географический принцип адреса-
ции характерен для централизованных систем управления, он обеспе-
чивает большее быстродействие по сравнению с логическим, так как
основывается на прямой передаче электрического сигнала.

Мультиплексирование шин адреса и данных означает разнесенную
по времени передачу адреса и данных по одним и тем же физическим
шинам магистрали. Для отличия адреса и данных используется, как
правило, дополнительная сигнальная линия магистрали, текущий
логический уровень которой (высокий или низкий) означает передачу
адреса или данных. Реализация мультиплексирования шин позволяет
уменьшить стоимость и число контактов соединителей модулей и
линий на объединительной плате. Раздельное исполнение шин адреса
и данных дает возможность повысить пропускную способность маги-
страли, особенно в режиме перекрытия, когда во время текущего
цикла передачи данных устанавливается адрес следующего цикла
передачи.

Процесс стандартизации ММС осуществляется в национальных и
международных масштабах. В дальнейшем будут рассмотрены основ-
ные проекты, ставшие стандартами де-факто и перспективные, кото-
рые поддерживаются большим числом крупных фирм-производителей
и наиболее полно отвечают требованиям ИИС. В табл. 3.1 приведены

их основные характеристики.

Таблица 3.1

Основные характеристики некоторых стандартов на ММС

УХ1

РХ1*

УМЕ

Характеристика

192

Раздельный

Число линий шины данных

Число линий шины адреса

Тип адресации

Логическая

Способ синхронизации

Смешанный

Быстродействие

До 57 Мбайт/с

До 20

100x160,233x160

Число посадочных мест
(модулей) в крейте

Принцип управления маги-
стралью

Принцип реализации шин дан-
ных и адреса

Общее количество шин маги-
страли

Максимальное число линии
системной магистрали (с уче-
том спецификаций расшире-
ния)

Децентрализо-
ванный

64

Логическая

Смешанный

До 264 Мбайт/с

До П

100x160,233x160

Децентрализо-
ванный

Мультиплексиро-
ванный

* Стандарт РХ1 находится в стадии доработки и развития, поэтому его окончательные
характеристики могут быть изменены или дополнены.

Типовые размеры используе-
мых плат в стандарте «Евроме-
ханика», мм

Стандарт

УМЕ-Ьиз.

Централизован-
ный (возможен
децентрализован-
ный)

Раздельный

Географическая
и логическая

Смешанный

До 57 Мбайт/с
по основной
магистрали и до
100 Мбайт/с по
локальной шине

До 20

100x160,233x160,

233x340,366x340

Системная магистраль УМЕ-Ьиз

[24, 25, 27] содержит три основные шины: две параллельные УМЕ,
УМХ и последовательную УМ8.

Архитектура магистрали УМЕ предусматривает разделенные 8-
и 16-разрядные тракты данных и 16- и 24-разрядные тракты адреса
в первом разъеме (соединителе) платы. При использовании второго
разъема на плате реализуются 32-разрядные тракты данных и адреса.
В шине УМЕ возможна многопроцессорная работа с четырьмя линиями
арбитража и семью линиями прерывания. Эта шина является глав-
ным трактом обмена данными в системе. Оставшиеся контакты вто-
рого соединителя используются магистралью УМХ и обеспечивают
32-разрядные тракты данных и 24-разрядный мультиплексирован-
ный тракт адреса. Она обеспечивает расширение локальной шины на
пять соседних гнезд объединительной платы, что позволяет одному
устройству обращаться к любому другому устройству, расположен-
ному в данном сегменте из пяти модулей без затрат времени на
арбитраж, и освобождает основную шину УМЕ. Шина УМХ преду-
сматривает связь процессорных модулей и модулей памяти с кон-
троллером прямого доступа к памяти. Имеется вариант шины
МУМХ-32, предусматривающий мультиплексированный 32-разряд-
ный тракт адреса и данных.

Последовательная магистраль УМ8 с автоматическим арбитражем
использует две линии для передачи данных и предназначена для
обмена короткими и срочными сообщениями в системах с непосредст-
венной связью и с гибко связанными процессорами. Эту шину можно
использовать как для связи в одном крейте, так и между процессорами
разных крейтов.

Логическая работа на магистрали УМЕ-Ьиз основывается на прин-
ципе задатчик—исполнитель. При наличии нескольких задатчиков они
поочередно, в соответствии с приоритетом, занимают магистраль.
Арбитраж производится параллельно с обращениями на магистраль,
что увеличивает быстродействие. Специальный модуль (системный
контроллер), который устанавливается в крайнее левое (первое) гнездо
объединительной панели, содержит арбитр, системный генератор,
аппаратуру инициализации и обнаружения отказов. На магистрали
выполняются четыре основных типа функций: служебные, передача
данных, арбитраж, приоритетное прерывание. Для выполнения уха-
занных функций выделены четыре группы шин: «Передача данных»,
«Арбитраж», «Прерывание» и «Служебная».

Наличие 32-разрядной адресной шины и двух стробов данных
обеспечивает прямую адресацию 4 Гбайт памяти. Для большинства
исполнительных устройств нет необходимости работать в полном
адресном пространстве памяти и дешифрировать каждый раз 32-ра3
рядный адрес, поэтому в стандарте определены три типа адресаций-

короткая

для 64 Кбайт адресного пространства, стандартная 'д
для 4 Гбайт. Исполнители, принимаю111

16 Мбайт и расширенная — для 4 Гбайт. Исполнители, принимаю*11
код адреса, при стандартной адресации игнорируют старшие восе

разрядов адреса, а при короткой

старшие 16 разрядов адреса.
В зависимости от выбранного режима на магистрали могут переда-
ваться три типа данных: байт, слово (2 байта) и двойное слово (4 байта).
Байт передается по линиям ООО—007 или 008—015, слово — только

по линиям ООО—0015, а двойное слово — по линиям ООО—031. Для

управления типом передачи данных используются специальные слу-
жебные линии, комбинации кодов на которых однозначно определяют
один из трех типов данных и их место на шине.

Магистраль УМХ имеет 32-разрядный тракт передачи данных

передается по 12 линиям, причем стробы служат признаками того,

какие разряды адреса в данный момент передаются по шине — млад-
шие или старшие 12 разрядов. Линия признака ошибки данных или

квитанции-подтверждения передачи данных служат для завершения
цикла обмена данными.

К одной магистрали могут подключаться до шести соседних моду-
лей. Каждый из устанавливаемых модулей может работать как первич-
ный или вторичный задатчик либо как исполнитель. Первичный задат-
чик — это обычно центральный процессор, которому требуется
высокоскоростная локальная память. Первичный задатчик управляет

магистралью и контролирует, кроме того, доступ со стороны вторич-

ного задатчика к исполнителям. Первичный задатчик завершает также

цикл обмена и выдает на шину управляющие сигналы, определяющие,
как будет производиться следующая передача данных: по УМХ- или

УМЕ-шине или будут использоваться внутренние ресурсы самой платы.

Магистраль УМ8 обеспечивает передачу сообщений, необходимых
для работы многопроцессорных систем, и является эффективным
дополнением основной шины УМЕ. При определенных условиях ее
целесообразно использовать в случае построения отказоустойчивых
систем и для выполнения функций «семафора» широковещательных
передач с одновременным опросом. При реализации УМ8 на стан-
дартной объединительной плате скорость передачи данных по ней
составляет 3,2 Мбайт/с.

В качестве стандарта на конструкции УМЕ предложен наиболее

популярный механический стандарт — «Евромеханика». В конкретной

системе может использоваться любое количество крейтов, в каждом из
которых могут размещаться до 21 модуля УМЕ-Ъиз. Выбор типоразме-
ров плат, используемых в модулях, определяется оптимизацией требо-
ваний минимизации габаритов и достаточной площади для размещения
необходимого количества функций в одном модуле. В стандарте УМЕ
используются два основных типоразмера стандарта «Евромеханика»:
ж х,:л	^Мб4ЙМЙйМ||1ЙЙ^

веаяея&ия' И
жететтч

Рис. 3.4. Внешний вид УМЕ-системы настольного исполнения

611 (233x160) — для модулей двойной высоты и ЗП (100x160) — для
модулей одинарной высоты. В качестве разъемных соединителей
используются высоконадежные штырьковые разъемы ПШ602-3 (отече-
ственный аналог — ОНП-ВН-105(Ю6)-96/94Х11). Восьми- и шестна-
дцати разрядные модули имеют один разъем, 32- и 64-разрядные —
по два.

Системы в стандарте УМЕ — это, как правило, крейты настольного
исполнения (рис. 3.4) или крейты, встраиваемые в стандартную стойку
(гасктонп!). Такая система может быть размещена в любом корпусе,
имеющем стандартную объединительную панель и посадочные места
(слоты) для установки модулей.

Продукция в стандарте УМЕ выпускается более чем 300 фирмами-
производителями и может быть классифицирована следующим образом.

Встроенные компьютеры и системные контроллеры предназна-
чены для управления системой в рамках одного или нескольких крей-
тов. Встроенные компьютеры, как правило, выполняют одновременно
функции управляющей ЭВМ и функции управления системной маги-
стралью (системного контроллера). Они отличаются типом используе-
мого процессора, который определяет его основные технические
характеристики. Системные контроллеры обеспечивают связь с внеш-
ним управляющим компьютером и управление от него системной
магистралью.

Измерителъно-управляющие модули включают в себя различные уст-
ройства ввода/вывода измерительной и управляющей информации, такие
как АЦП, ЦАП, коммутаторы, модули цифрового ввода/вывода и т.п.
Контроллеры и интерфейсы связи предназначены для сопряжения
и связи с другими стандартными интерфейсами измерительных и
вычислительных систем, например 6Р1В, К8-232 и т.п.

В группу модулей специального назначения входят узкоспециализи-
рованные модули и модули специального назначения, например
модули управления шаговыми двигателями, модули ввода и обработки
изображений и т.п.

Крейты и блоки питания отличаются размерами, числом посадоч-
ных мест в крейте, мощностью источника питания.

Стандарт УХ1. Одним из направлений развития магистрали в стан-
дарте УМЕ является ее модификация в стандарте УХ1 (УМЕ-Ьиз
еХКпбоп Гог 1п81гитеЩабоп), предназначенная для расширения воз-
можностей подключения средств измерительной техники [28—30].
Основываясь на магистрали УМЕ-Ъиз и полностью включая ее как
подмножество, УХ1 представляет собой самостоятельный стандарт на
контрольно-измерительную и управляющую аппаратуру высшего
класса точности.

При формировании стандарта на магистраль УХ1-Ьик разработчи-
кам удалось совместить преимущества двух стандартов: СР1В и УМЕ.
Сохранив полную информационную совместимость с приборным
интерфейсом стандарта СИВ, стандарт УХ1 включает в себя магист-
раль в УМЕ-Ьш, обеспечивая конструктивную и электрическую
совместимость с УМЕ-аппаратурой. Описание магистрали УМЕ-Ьиз
полностью применимо к базовой части магистрали УХЕ

Для расширения функциональных возможностей и повышения тех-
нических характеристик магистрали УМЕ-Ьиз, а также в целях даль-
нейшего развития стандарта в УХ1 были включены следующие основ-
ные функции расширения:

повышенные требования к качеству электропитания в крейте;

унификация регистровой структуры модулей;

наличие функции «Менеджер ресурсов»;

выделение функций «Командный модуль» и «Слот 0»;

введение дополнительной 32-битовой локальной шины;

расширение системы синхронизации;

введение аналоговой шины и шины идентификации.

Расширение УХ1-Ьп8 включает в себя также использование допол-
нительных размеров плат в стандарте «Евромеханика» и применение
увеличенного шага межмодульных соединений в крейтах размеров С
и О. Увеличение размеров используемых плат обусловливается необ-
ходимостью применения одноплатной технологии для модулей повы-
шенной чувствительности (до единиц нановольт), для высокоскоро-
стных регистраторов и осциллографов (до десятков гигагерц),
а также для многоканальных (более 100 каналов) измерительных
коммутаторов.

Дополнительные шины и линии магистрали УХ1 занимают не исполь-
зуемые в УМЕ-Ъиз контакты разъема Р2, а также контакты разъема РЗ
(для плат О) (рис. 3.5). Назначение всех шин и линий, входящих в состав
магистрали УХ1-Ьи8, приводится в системных спецификациях на стан-
дарт, например 8у81еш БресШсайоп УХ1-1, В.еу18юп 1.4 (Арп121,1992).

Базовые конфигурации УХ1-систем можно разделить на два типа. К
первому относятся конфигурации, использующие в качестве управ-
ляющей ЭВМ стандартный внешний компьютер, к которому подклю-
чаются один или несколько крейтов УХ1. Второй вариант конфигура-
ции основан на использовании встроенных в УХ1-крейт компьютеров,
выполняющих также функции командного модуля (контроллера)
шины УХ1. Тот или иной вариант структуры УХ1-системы имеет свои
технические и экономические преимущества и выбирается в зависимо-
сти от сложности и размерности задачи автоматизации.

В настоящее время имеются готовые технические и программные
средства для подключения УХ1-аппаратуры практически к любому
современному стандартному компьютеру классов РС, Маспйозй/Розуег
Масхп^озй, рабочим станциям: НР-РА К18С/9000, 8ип 8РАКС§1айоп,
1ВМ Ш8С 8у81ет/6000, ВЕС А1рЬа, ВЕС УАХзШюп, ВЕС МюгоУАХ,
а также портативным компьютерам типа Кто1еЬоок. В качестве систем-

Рис. 3.5. Модель интерфейса УХГ-Ьиз
него интерфейса связи аппаратуры УХ1 с внешним компьютером
могут использоваться:

последовательные интерфейсы К.8-232, К8-422, К8-485;

приборный интерфейс СИВ (1ЕЕЕ-488);

высокоскоростные параллельные интерфейсы МХ1, УХЫпк.

На рис. 3.6, 3.7 приведены основные варианты конфигураций,
использующих различные системные интерфейсы связи между компь-
ютером и командным модулем УХ1.

С технической точки зрения, эти конфигурации различаются скоро-
стью передачи информации, расстоянием УХ1 -аппаратуры от компью-
тера и числом подключаемых крейтов без специальных средств рас-
ширения. Последовательный интерфейс К8 485 может обеспечить
максимальную скорость обмена до 1 Мбит/с с числом подключаемых
крейтов до 20 и удалением их от компьютера до 1 км. На базе прибор-
ного интерфейса СИВ могут быть построены системы со скоростью

компьютер

Рис. 3.6. УХ1-система на базе параллельных интерфейсов:
а — ОР1В; б — УХЬшк; в — МХ1

Внешний

Командный модуль

Размер В

Размер С

Встроенный
компьютер

Размер В

Размер С

Рис. 3.7. УХ1-система на базе встроенного компьютера
передачи информации до 1 Мбайт/с с числом подключаемых крейтов
до 15 и удалением до 20 м. Для обеспечения высокой скорости обмена
информацией в УХ1-системах используются специальные интерфейсы
МХ1 (МнШзуз^ет еХ1еп81оп 1п1егГасе) или УХЫпк, которые имеют ана-
логичные характеристики: максимальная скорость обмена 20 Мбайт/с,
максимальная длина кабеля 20 м, число подключаемых крейтов до 8.

Наиболее высокопроизводительные УХ1-системы могут быть
построены на основе встроенных в крейт компьютеров (рис. 3.8). В
этом случае максимальная теоретически достижимая скорость обра-
ботки информации может достигать 100 Мбайт/с.

Технические средства УХЬсистем можно разделить на три основ-
ные группы: крейты и источники питания, системные модули, функ-
циональные модули. Отметим, что все модули УМЕ размерами А или
В могут быть использованы в УХ1-системах, но не все модули УХ1
этих размеров могут включаться в УМЕ-системы.

Большинство фирм-изготовителей УХ1-продукции, как правило,
выпускает крейты (шатГгашез) с установленными источниками
питания. Для обеспечения конструктивной совместимости снизу
вверх трех типоразмеров крейтов (В, С, П) имеются специальные
переходные адаптеры, позволяющие устанавливать и использовать
модули меньших размеров в крейтах большего габарита. Так,
модули размером А могут быть использованы в крейтах всех разме-

Рис. 3.8. Внешний вид УХТ-системы со встроенным компьютером
ров, модули размером В — в крейтах размерами В, С, О и т.п.
Крейты различаются не только основным размером устанавливае-
мых плат, но и числом посадочных мест на магистрали (Ъаскр1апе8).
Из большого числа имеющихся на рынке различных вариантов наи-
более часто употребляемыми являются крейты: размером В на 5, 7,
12 и 20 посадочных мест (слотов); размером С на 5, 6 и 13 посадочных
мест; размером й на 5 и 13 посадочных мест. Некоторые крейты
выпускаются в переносном варианте с возможностью автономного
питания от аккумуляторной батареи. Мощность необходимого источ-
ника питания определяется основным размером устанавливаемых в
крейте плат и числом посадочных мест из расчета максимального
энергопотребления, указанного в паспорте на каждый модуль УХ1.
Типовая мощность источников для крейтов размером В — от 120 до
570 Вт, размером С — от 350 до 1200 Вт, размером О — от 1000 до
1500 Вт.

К системным модулям, в первую очередь, относятся командные
модули и встроенные в крейт компьютеры, осуществляющие управ-
ление шиной УХ1 и синхронизацию работы крейта с внешними уст-
ройствами. Командные модули и встроенные компьютеры размеща-
ются в крейте в левой позиции (слот 0) и в зависимости от
конфигурации занимают от одного до трех посадочных мест. Так,
например, РС-совместимый компьютер фирмы №1юпа1 1п81гитеп18
серии 599 реализован на процессоре 14860X4 с тактовой частотой
100 МГц, имеет ОЗУ до 16 Мбайт, встроенный накопитель на жестких
магнитных дисках (НЖМД) до 240 Мбайт, накопитель на гибких
магнитных дисках (НГМД), а также стандартные внешние интер-
фейсы. Компьютер занимает в крейте размером С два посадочных
места. Командные модули занимают одно (для размеров С, О) или
два (для размера В) посадочных места и определяют тип интерфейса
связи с внешним компьютером. Например, командный модуль
фирмы «Нси1сЦ-Раскагс1» НР Е1306А для крейта размером В имеет
встроенный процессор М68000 с тактовой частотой 8 МГц, статиче-
ское ОЗУ до 2 Мбайт и интерфейсы связи К8-232 и 6Р1В. Комплек-
тация поставки модулей УХ1 — плата с необходимым ПО
(Р1и§&Р1ау) обеспечивает возможность включения устройства в сис-
тему без дополнительной доработки.

К системным модулям относятся также модули памя ги, специали-
зированных интерфейсов связи, адаптеров интерфейсов (УХ1/МХ1,
6Р1В/УХ1) и стандартных интерфейсов М1Г-8ТО-1553В, АКШС-429,
АКПЧС-629 и т.п.
Состав функциональных модулей, т.е. модулей, выполняющих кон-
кретные измерительные или управляющие функции, определяется
назначением и требуемыми техническими характеристиками системы.
Широкий спектр выпускаемых функциональных модулей в стандарте
УХ1 разделяется на основные типовые группы.

Группа измерительных модулей включает в себя цифровые мульти-
метры с классом точности до 0,001 и разрешением до 7,5 десятичных
знаков; АЦП с разрешением до 20 бит и быстродействием до 5 Мслов/с;
осциллографы и дигитайзеры с частотой регистрации сигналов до
20 МГц; счетчики/таймеры с диапазоном измерения от 0,001 Гц до
5 ГГц. В группу генераторов и источников входят многоканальные
(до 16 каналов) АЦП с выходом по напряжению и току; функцио-
нальные генераторы непрерывных выходных сигналов и генераторы
импульсов с программно-регулируемыми параметрами сигналов.
Модули цифрового ввода/вывода, различающиеся числом каналов (от
16 до 128) и уровнем сигналов (от 5 до 48 В), выпускаются, как пра-
вило, в виде перепрограммируемых двунаправленных параллельных
интерфейсов. Группа мультиплексоров и переключателей разделя-
ется на релейные и полупроводниковые, среди которых выделяют
измерительные модули (с низким уровнем собственного шума — до
1 мкВ), модули общего применения и модули для радиочастотных
сигналов с числом каналов от 16 до 256. Различают также матричные
переключатели с различной размерностью (16x16, 8x32 и др.) и
модули силовых ключей, реализованные на релейных и полупровод-
никовых элементах с напряжением коммутируемых цепей до 250 В и
током до 5 А. В группу модулей специального назначения входят
модули для виброакустических измерений, управления шаговыми
двигателями и электроприводами, измерители мощности сигналов,
модули тестирования различных интерфейсов и систем связи и т.п.

Технические характеристики и возможности аппаратуры УХ1
таковы, что позволяют напрямую, без дополнительных преобразова-
телей, подключать к ней датчики различных типов: термопары, тер-
морезисторы и термисторы, тензодатчики, вибродатчики и микро-
фоны, датчики с выходом по напряжению и току различных
амплитуд, — обеспечивая при этом максимальную точность и поме-
хозащищенность.

Стандарт РХ1. Магистраль модульной измерительной системы в
стандарте РХ1 (РС1 еХ1еп810П8 Гог 1п81гшпеп1а1юп) [31], предложе-
нная фирмой №1юпа1 1п$1гитсп18 в 1997 г., является расширением
шины РС1 для измерительной аппаратуры. Основными характери-
стиками РХ1-систем являются стандартное и совместимое с другими
ММС программное обеспечение для \Упк1оит> КГГ/95, РС1-архитек-
тура основной магистрали, семь слотов расширения в одном крейте,
защищенный промышленный конструктив, встроенные функции
синхронизации и тактирования, портативное, настольное и стоечное
исполнение.

В стандарте РХ1 совмещаются современные технологии промыш-
ленных стандартов для построения измерительно-управляющих сис-
тем и систем автоматики. Магистральная архитектура в стандарте
РХ1 базируется на использовании шины РС1. Специальные измери-
тельные дополнения, включающие встроенные триггеры и локаль-
ную шину, заимствованы у магистрали УХ1-Ьи8. Системная магист-
раль РХ1 имеет конструктивную, электрическую и информационную
совместимость с модулями Сотрас1:РС1, которые производятся
более 300 фирмами и могут быть использованы в РХ1-системах.
Однако не все модули РХ1 могут использоваться в системах
Сотрас1РС1, так как шина РС1 является подмножеством шины РХ1.

Конструкция и размеры крейта определяются стандартом «Евро-
механика» и спецификацией Сотрас1РС1 с механическими характе-
ристиками, удовлетворяющими промышленным условиям эксплуа-
тации. Спецификация стандарта РХ1 оговаривает дополнительные
требования по активному охлаждению, температурному диапазону и
электромагнитной совместимости, что обеспечивает повышенные
помехозащищенность и точность системы в целом. Внешний вид
РХЬсистемы приведен на рис. 3.9.

РХЬпродукция, так же как и аппаратура в стандарте УХ1, разде-
ляется на три основные группы: крейты и источники питания, сис-
темные модули, функциональные модули.

Рис. 3.9. Внешний вид РХ1-системы
3.4.	ИИС на базе локальных устройств ввода/вывода

При разработке и создании систем автоматизации в качестве под-
систем измерения и управления могут использоваться локальные
устройства ввода/вывода (УВВ), подключаемые к управляющему
компьютеру с помощью стандартных последовательных или парал-
лельных интерфейсов. Локальные УВВ унифицированы, как пра-
вило, на уровне фирменных или межфирменных спецификаций.
Такие УВВ должны иметь в своем составе устройства сопряжения со
стандартными интерфейсами. Среди локальных УВВ, наиболее
часто используемых при создании ИИС, выделяются модульные сис-
темы фирмы «Иайопа! 1п81гитеп18»: 8СХ1 и РтеИРопй, а также уст-
ройства кондиционирования сигналов (КС) серии 5В фирмы «Апа1о§
Пеу1се8».

8СХ1 (8щпа1 СопсШюМгщ еХГепЦоп Гог НШгитеЩаЦоп) — сис-
тема согласования сигналов в измерительных системах. Представ-
ляет собой многоканальную систему согласования и ввода/вывода
сигналов для работы с Р1и§т-сагс1-устройствами в стандартах РХ1,
УХ1, 8СХ1; может использоваться как дополнение к измерительно-
управляющим платам и модулям для согласования сигналов или как
самостоятельная законченная система ввода/вывода. 8СХ1-система
может включать один или нескольких крейтов для размещения в
каждом из 4 или 12 модулей различного функционального назначе-
ния, оснащенных унифицированным источником питания мощно-
стью 60 или 160 Вт соответственно.

Модули аналогового ввода позволяют подключать различные
типы датчиков и сигналов и реализуют функции усиления, изоляции,
мультиплексирования, фильтрации, питания датчиков, выборки-хра-
нения.

Модуль управления и ввода/вывода 8СХ1-1200, подключаемый к
ЭВМ с помощью стандартной параллельной шины 118В, можно
использовать как самостоятельную многоканальную ИИС. Для уда-
ленного сбора данных используется крейт с интерфейсом К8-485 (до
1,2 км). Внешний вид 8СХ1-аппаратуры представлен на рис. 3.10.

УВВ ПеШРотС Модульная распределенная система ввода/вывода
НеМРот! [31] предназначена для ввода данных с территориально раз-
несенных источников информации (контроль, мониторинг и управле-
ние распределенными объектами в условиях промышленной эксплуа-
тации). В системах, использующих УВВ Г1е1с1Рот1, применяются
Рис. 3.10. Аппаратные средства 8СХ1

модули различного функционального назначения в защищенном про-
мышленном исполнении, предназначенные для работы в диапазоне
температур от -40 до +70 °С. Удаление и замена модулей производятся
без отключения питания и отсоединения сигнальных проводов. Благо-
даря технологии «горячая замена» (Но1РпР) установленные модули
автоматически идентифицируются системой для автоконфигурации.
Модульный принцип построения систем ИеИРопй позволяет легко их
модифицировать, адаптируя к новым сетевым интерфейсам.

Система Р1е1с!Рош1 включает в себя три класса устройств: модули
ввода/вывода, терминальные блоки для подключения модулей ввода/
вывода и сигнальных проводов, модули коммуникации. Модули ввода/
вывода устанавливаются в терминальные блоки (рис. 3.11), содержащие
зажимы для подсоединения сигнальных проводов.

Рис. 3.11. Секция системы НеШРот!
Терминальные блоки являются универсальным основанием для
любого модуля ввода/вывода. Они монтируются на панель (стандарт-
ный ВШ-рельс), которая может быть помещена в защитный пластико-
вый или металлический корпус. Несколько (обычно 4 или 8) терми-
нальных модулей образуют единую секцию и объединяются
высокоскоростной магистралью для обмена данными между модулями
ввода/вывода и коммуникационным модулем сетевого интерфейса.
Сетевые коммуникационные модули обеспечивают подключение сек-
ций Г1ек1Рот€ к промышленным сетям К.8-485, К8-232, Гоипдайоп
Р1е1дЪи8 (РР), возможность «горячей замены», установки состояния
при включении питания, работу сторожевого (луа1сЫо§) таймера и
самодиагностику.

Кондиционеры и устройства ввода/вывода сигналов серии 5В.
Устройства серии 5В представляют собой одноканальные устройства
согласования или ввода/вывода сигналов. УВВ серии 5В не имеют
собственных средств для преобразования аналоговых сигналов в
цифровой код и передачи его непосредственно в компьютер, поэтому
эти устройства должны использоваться только совместно с другими
измерительными и управляющими устройствами и системами. УВВ
серии 5В и аналогичные им используются для ввода сигналов от оди-
ночных или небольших групп датчиков, а также для преобразования
вида представления информации в сигнале, например преобразова-
ние частота—напряжение. Часто это позволяет экономить средства
на создание ИИС при наличии датчиков и органов управления с раз-
личными типами сигналов. С помощью УВВ серии 5В можно при-
вести все сигналы от различных датчиков к единому унифицирован-

Рис. 3.12. УВВ серии 5В
ному уровню, например 0—5 В, и далее использовать только
мультиплексор и один АЦП.

Устройства серии 5В могут объединяться на специальной монтаж-
ной плате (рис. 3.12) в секции по 8 или 16 каналов.

На монтажных платах также установлены унифицированные объе-
динительные разъемы для подключения Р1и§т-сагд. Для использова-
ния с другими стандартными ИИС на плате имеются индивидуальные
(для каждого канала) зажимы для соединения с датчиком и измери-
тельным устройством. Монтажные платы имеют также зажимы для
подключения питания. Они могут помещаться в пластмассовые или
металлические защитные корпуса.

Контрольные вопросы к главе 3

1.	Назовите преимущества и недостатки открытых систем (стандартов) по
сравнению со специализированными, закрытыми системами?

2.	В УХ1 системах возможны разные варианты установки контроллера
крейта. Перечислите их.

3.	Какие преимущества имеют системы на базе стандарта РХ1 перед систе-
мами, построенными на базе стандартного настольного компьютера и
Р1и§т-сагс1?

4.	Можно ли в рамках автоматизированной системы использовать компо-
ненты различных стандартов — КОП (ОР1В), УХ1, УМЕ, РХТ?
Глава четвертая

ПОМЕХИ В ИНФОРМАЦИОННО-
ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМАХ

4.1.	Виды помех и способы их описания

При измерении и обработке физических сигналов наряду с полез-
ной составляющей в реализации всегда присутствуют помехи. Это
объясняется тем, что в процессе измерения реальный сигнал подверга-
ется целому ряду последовательных преобразований:

преобразование неэлектрической величины в электрическую форму;

передача электрического сигнала по линиям связи;
преобразование сигнала в цифровую форму;

линейные и нелинейные вторичные преобразования для получения
необходимого вида измеряемой величины и т.п.

Все преобразования сигнала при измерении осуществляются пре-
имущественно аппаратным способом, и каждое из них вносит свою
долю в погрешность. Кроме того, измеряемый сигнал, как правило,
взаимодействует с другими сигналами и подвергается их влиянию.

В ИИС, принцип действия которых основан на взаимодействии
электронных измерительных и управляющих устройств, основным
источником помех являются электромагнитные процессы, протекаю-
щие в самих устройствах и передающих линиях. Уровень помех,
реально существующий в ИИС, — один из основных показателей ее
качества. Некоторые виды помех, например помехи в виде колебаний
на радиочастоте, могут быть уменьшены или исключены с помощью
различных приемов, включая фильтрацию, а также тщательное проду-
мывание расположения линий связи и электронных устройств. Однако
действие помех не всегда может быть компенсировано аппаратными
средствами и методическими приемами в процессе измерения. Суще-
ствуют помехи принципиально неустранимые, такие как флуктуации
самой измеряемой величины в зависимости от изменения внешних
условий измерения. Поэтому для анализа характера помехи при обра-
ботке измеренной реализации всегда необходим этап предваритель-
ного анализа, на котором применяются дополнительные методы для
выделения полезной составляющей и учета действия помех (см. гл. 6).
Заметим, что в цифровых системах измерения все сигналы представ-
лены в виде отдельных временных отсчетов, зафиксированных в
регистрах с ограниченной разрядностью. Таким образом, полученная
реализация представляет собой дискретный во времени и квантован-
ный по уровню сигнал. Погрешности цифрового представления
информации являются непременной составной частью общего сигнала
помехи, но в данной главе они не рассматриваются.

В фиксируемой реализации физического сигнала среди его компо-
нентов выделяют два: полезная составляющая и помеха. Отметим, что
полезная составляющая может быть отнесена к некоторым типовым
сигналам (см. гл. 6). Основной задачей любого измерения является
получение реализации полезного сигнала с требуемой точностью. Для
того чтобы учитывать действие помехи, необходимо понимать при-
чины и механизм ее возникновения и анализировать возможность ее
устранения или уменьшения. Задача организации измерения в усло-
виях действия помех зачастую является крайне сложной и зависит от
целого ряда конкретных условий проведения измерений. В то же
время в механизме возникновения и действия помех можно выделить
типовые ситуации и закономерности, которые позволяют классифици-
ровать помехи по разным признакам и выработать рекомендации по их
учету и устранению.

Представление помехи в виде некоторого типового сигнала позво-
ляет теоретически обосновывать и анализировать способы ее устране-
ния, применяя известные теоретические положения. Например, основ-
ные теоретические результаты по оценке точности цифровых
измерений случайной составляющей получены для нормального
закона распределения вероятности. Анализ закона распределения или
его параметров и подтверждение предположения о нормальности дают
возможность применить эти результаты на практике. Помеха, так же
как и полезный сигнал, может быть многокомпонентным сигналом и
сочетать в себе различные типы процессов. Более подробно типовые
сигналы описаны в гл. 6

Обычно помеху в виде детерминированной монотонной или мед-
ленно изменяющейся функции времени называют временным дрей-
фом или трендом, а случайную составляющею помехи — шумом.
В качестве помехи могут рассматриваться также детерминированные
периодические процессы.

Рассмотрим некоторые типовые сигналы помехи и причины их воз-
никновения.

Тренд — сигнал, описываемый медленно или монотонно изменяю-
щейся детерминированной функцией времени. Это низкочастотные
процессы, для описания которых часто используются полиномы не
выше 4-го порядка или специальные нелинейные приближения. Полу-
чить представление о виде тренда можно, применив любой метод сгла-
живания процесса, например метод скользящего среднего.

Возникновение трендов связано с накоплением результата влияния
постоянно действующих факторов, например температуры окружаю-
щей среды или методических погрешностей в измерительных устрой-
ствах.

Периодические или почти периодические сигналы, которые состав-
ляют детерминированную колебательную компоненту помехи, харак-
теризуются тем, что их мощность сосредоточена на определенных час-
тотах. Спектральная плотность мощности (СПМ) такой компоненты
имеет дискретный линейчатый вид. При этом гармонический сигнал
имеет СПМ в виде одной линии на заданной частоте.

Такие компоненты, как правило, возникают при наличии связи
полезного сигнала с другими периодически повторяющимися сигна-
лами. Например, периодическими могут быть наводки от питающего
напряжения или периодически действующих импульсных сигналов.

Случайная составляющая помехи (шум) — случайный процесс с
некоторым законом распределения вероятности ординат и частот-
ным спектром. В частном случае, который наиболее часто использу-
ется при теоретическом анализе, это — идеальный случайный про-
цесс с нормальным распределением независимых ординат. Помеху
такого вида называют «белым» шумом, ее СПМ имеет приближенно
равномерный характер в широком диапазоне частот. Помеху с СПМ,
отличной от равномерной, часто называют «цветным» или «окра-
шенным» шумом. Описание помехи в виде случайного процесса
принято для анализа помехи, возникающей в результате действия
целого ряда известных причин, а также для описания неучтенных,
неустранимых или неизвестных исследователю факторов, действую-
щих во время измерений. Если сигнал помехи можно описать как
типовой, то для его анализа можно применить как эксперименталь-
ные, так и теоретические методы.

Для проведения теоретического анализа и изучения свойств помех
существенным является также деление сигналов на непрерывные и
дискретные. Непрерывные временнйе сигналы помехи возникают в
аналоговой части системы или экспериментальной установки, а дис-
кретные — в цифровой части системы в результате обработки или
являются таковыми по физической сути. При описании реально возни-
кающих сигналов это свойство всегда принимается во внимание.

Используемое в теоретическом анализе понятие помехи на прак-
тике и в технической литературе часто заменяется рядом аналогичных
понятий, при этом одно и то же «паразитное» напряжение, искажаю-
щее полезный сигнал и ухудшающее функционирование электронного
устройства, называют шумом, наводкой или помехой. Свобода приме-
нения данной терминологии вызывает у читателя вопросы: что же
такое шум, наводка и помеха, в чем их различие?

В общем случае всякому электронному устройству присущи:

шумы — «паразитные» напряжения, возникающие вследствие
физических процессов, происходящих в его комплектующих элемен-
тах и характеризующиеся сложной временной и спектральной зависи-
мостями; такой сигнал имеет, как правило, случайный характер;

наводки — «паразитные» напряжения, возникающие вследствие
«паразитных» электрических связей между различными приборами,
объединенными общим источником питания, общей энергетической
сетью, общими измерительными, приемопередающими линиями связи
и характеризующиеся определенной временной и спектральной зави-
симостями; наводки могут иметь вид постоянно действующих, мед-
ленно меняющихся или колебательных сигналов;

помехи — «паразитные» напряжения, возникающие при воздейст-
вии физических полей различных внешних источников и характери-
зующиеся как случайные функции времени.

Обобщающим понятием «паразитных» напряжений, возникающих
в информационно-измерительных системах, является понятие
«помеха». Помеха создается физической величиной, не измеряемой
данной ИИС, но влияющей на результат измерения интересующей
физической величины. Помеха может изменить характеристику ИИС и
привести к нарушению пропорциональности между действительным
значением измеряемой величины и результатом измерения.

На рис. 4.1 приведена классификация физических величин, создаю-
щих помехи.

Рис. 4.1. Физические величины, создающие помехи
4.2.	Электромагнитные помехи и их классификация

Способность приборов и устройств нормально функционировать в
условиях воздействия на них электрических, магнитных и электромаг-
нитных полей, а также не создавать собственных электромагнитных
помех недопустимого уровня называется электромагнитной совмес-
тимостью [32, 33]. При анализе воздействия электромагнитных помех
особое внимание уделяется причинам их возникновения, путям рас-
пространения, особенностям воздействия на различные объекты, а
также мерам, методам и средствам защиты и подавления электромаг-
нитных помех.

Электромагнитная помеха (ЭП) — нежелательное воздействие
электромагнитного, электрического и магнитного полей, а также тока
и напряжения любого источника, которое может ухудшить качество
функционирования системы за счет искажения информативных пара-
метров полезного сигнала.

Вследствие сложности и многообразия электромагнитных помех их
классифицируют по различным признакам в зависимости от характера
источника и способа распространения.

По происхождению электромагнитные помехи бывают
естественными (природными) и искусственными, причем последние
могут быть непреднамеренными (индустриальными) и преднамерен-
ными (организованными). Естественные ЭП образуются электромаг-
нитными процессами и явлениями, которые объективно происходят в
различных оболочках Земли и космосе и непосредственно не связаны с
деятельностью человека.

Искусственные, или индустриальные, ЭП обусловлены электромаг-
нитными процессами и явлениями в различных технических системах,
созданных человеком. Непреднамеренные ЭП возникают из-за особен-
ностей физического процесса, несовершенства технологических
средств и предпринятых организационных и технических мер.

По типу распространения выделяют пространствен-
ные и кондуктивные помехи. Первые характеризуются воздействием
через излучаемое и распространяющееся в пространстве электромаг-
нитное поле, а вторые проникают в аппаратуру по проводниковым
каналам связи и электропитания. В частности, кондуктивными назы-
вают помехи, возникающие при связи через общее сопротивление,
например через заземляющие шины или источники питания. При этом
токи от различных схем протекают через общее сопротивление, паде-
ние напряжения на котором от каждого из токов будет помехой для
других схем.
Электромагнитные помехи в виде излучения от источников помех
являются наиболее распространенными. Характеристики излучаемых
ЭП определяются источником помех, расстоянием до приемника
помех и параметрами окружающей среды.

По месту расположения источника помехи отно-
сительно исследуемого электронного устройства различают внешние
(внесистемные, внеблочные), внутренние (внутрисистемные) и собст-
венные. Очевидно, что внешние помехи вызваны процессами в других
устройствах, внутрисистемные возникают как электромагнитные явле-
ния и связи, не предусмотренные схемой и конструкцией устройства, а
собственные помехи представляют собой шумы компонентов, связан-
ные с функционированием самого устройства.

По типу сигнала различают случайные и детерминирован-
ные помехи. В свою очередь, те и другие бывают импульсными, широ-
кополосными и узкополосными.

Такая классификация позволяет оценить помеховую обстановку в
целом, проанализировать и сформировать подход к устранению неже-
лательного воздействия конкретного вида помех на ИИС.

Кроме того, в научно-технических документах и технической лите-
ратуре пользуются специальными терминами для характеристики
помеховой обстановки. Приемником или рецептором помех являются
любые системы или составляющие их части вплоть до элементов и
отдельных компонентов, на которых сказывается действие помех. Вос-
приимчивость -— это мера реакции приемника на помеху, характери-
зующая его способность снижать качество функционирования под
действием помехи.

Свойство приемника сохранять качество функционирования при
воздействии помехи, т.е. противостоять ей за счет схемотехнических
мер, называется помехоустойчивостью.

Свойство приемника сохранять качество функционирования и
противостоять помехам за счет схемотехнических, конструктивно-
технологических и дополнительных мер защиты, не изменяющих
принципов действия и построения приемника, называется помехоза-
щищенностью.

Решение проблемы электромагнитной совместимости данной сис-
темы, как правило, всегда начинается с изучения электромагнитной
обстановки, т.е. совокупности электромагнитных, электрических и
магнитных полей, а также токов и напряжений помех, которые сущест-
вуют в этой области пространства и могут влиять на функционирова-
ние прибора или системы в целом.
Электромагнитная обстановка формируется всеми видами сущест-
вующих в заданной ситуации электромагнитных помех, создаваемых
как внешними, так и внутренними источниками.

Источники электромагнитных помех весьма разнообразны и имеют
различные характеристики: интенсивность, направленность, времен-
ной и частотный диапазоны и т.п. Классификация помех по причинам
их возникновения является одним из основных и наиболее полезных
видов анализа помех. Среди типов помех можно назвать:

собственные шумы компонентов электронных схем;

наводки в измерительных линиях, каналах связи, приборах и т.п.,
обусловленные нелинейностью и неидеальностью характеристик ком-
понентов электронных схем, взаимовлиянием электронных устройств
через общие каналы связи;

индустриальные (промышленные) и естественные помехи.

4.3.	Собственные шумы компонентов электронных схем

Собственные шумы компонентов электронных схем являются их
неотъемлемой и основной физической характеристикой: они устанав-
ливают нижнюю границу напряжения шумов электронного прибора.
К собственным шумам относятся: тепловые, дробовые и контактные
шумы, которые являются непрерывными сигналами с характерными
свойствами [34].

Тепловые шумы возникают в результате теплового движения элект-
ронов в веществе. Они возникают во всех элементах, обладающих
сопротивлением. Поэтому тепловые шумы в технической литературе
называются также шумами сопротивления или джонсоновскими
шумами.

Источником теплового шума могут быть компоненты электриче-
ской схемы, которые способны рассеивать энергию. Поэтому реактив-
ное сопротивление не является источником теплового шума.

Для исследования тепловой шум может быть представлен в виде
стандартного «белого» шума: амплитуда напряжения теплового шума
имеет нормальное распределение, а СПМ теплового шума постоянна
во всем диапазоне частот.

Дробовые шумы возникают вследствие того, что электрический ток
представляет собой движение дискретных зарядов. Конечность заряда
приводит к флуктуациям тока относительно среднего значения, вызы-
ваемым случайным характером эмиссии электронов (или дырок), т.е.
дробовому шуму. Этот вид шума присутствует как в электронных лам-
пах, так и в транзисторах. В последних дробовой шум обусловлен хао-
тической диффузией носителей через базу и случайным характером
генерации и рекомбинации пар электрон— дырка. В общем случае дро-
бовой шум связан с прохождением тока через потенциальный барьер.

Для дробового шума также применимо представление в виде нор-
мально распределенного «белого» шума, описанного выше. Математи-
ческое ожидание дробового шума равно нулю, а среднеквадратическое
отклонение определяется действующим значением тока.

Контактные шумы вызываются флуктуацией проводимости (пере-
ходного сопротивления) вследствие несовершенства контакта между
двумя материалами. Они проявляются всякий раз, когда два провод-
ника соединяются друг с другом, например в переключателях и кон-
тактном реле. Контактные шумы встречаются в сопротивлениях, тран-
зисторах и диодах из-за несовершенства контактов, а также в
микросхемах, содержащих множество сплавленных между собой мел-
ких частиц.

Этот шум зависит от многих факторов: конструкции конкретного
изделия, резистивного материала и особенности концевых соединений.

В технической литературе контактные шумы часто имеют другие
названия. В частности, шумы, возникающие в сопротивлениях, назы-
ваются «избыточными» шумами, контактные шумы в электронных
лампах и транзисторах — «фликкер-шумами». Спектральная плот-
ность мощности изменяется как величина обратная частоте, вследст-
вие чего эти шумы называют низкочастотными или 1//-шумам и, а ино-
гда их называют «розовыми».

Контактные шумы являются наиболее существенными источни-
ками шумов в низкочастотных схемах и электрических цепях.

К собственным шумам относятся также характерные для полупро-
водниковых элементов — диодов, транзисторов и интегральных схем —
импульсные шумы. В отличие от других типов шумов импульсные
являются практически неустранимыми, так как обусловлены произ-
водственными дефектами и устранить их можно только улучшив про-
цессы производства. Эти шумы вызываются металлическими приме-
сями в переходе полупроводникового прибора. Импульсные шумы
являются дискретными непериодическими сигналами и проявляются
как резкие всплески уровня выходного напряжения. Средняя скорость
повторения импульсов может изменяться от нескольких сот импульсов
в секунду до одного импульса в минуту, однако у любого конкретного
устройства амплитуда импульсных шумов фиксирована, так как она
является функцией параметров дефекта перехода. Длительность
шумовых импульсов колеблется от микросекунд до секунд. Обычно
эта амплитуда в 2—100 раз превышает амплитуду тепловых шумов.
Спектральная плотность мощности импульсных шумов имеет зави-
симость вида М/1. Поскольку этот шум связан с наличием тока, го
напряжение импульсных шумов будет наибольшим в цепи с высоким
сопротивлением, такой, как входная цепь операционного усилителя.

В общем случае, суммарное напряжение шума для электронной
схемы можно записать в виде

Ц.Е = Л41 + ^2+-+^,>

где ?7Ш/- — напряжения шумов различного типа компонентов электрон-
ных схем.

4.4.	Помехи от неидеольности характеристик компонентов
электронных схем

При частотном анализе спектра помех надо помнить, что все комп-
лектующие компоненты электронных схем неидеальны и имеют
реальные характеристики, которые отличаются от теоретических.
Неидеальность характеристик электронных устройств не только явля-
ется источником погрешности преобразования сигнала, но и способст-
вует возникновению «паразитных» каналов взаимосвязей между раз-
личными электронными устройствами. Знание этих особенностей
важно для успешной борьбы с помехами.

Резисторы обычно составляют 30—40 % общего числа элементов
электронной аппаратуры и являются источниками шумов, которые назы-
ваются собственными шумами резисторов (тепловой, дробовой и кон-
тактный).

При частотном анализе электронных схем пользуются эквивалент-
ной схемой резистора, которая представлена на рис. 4.2.

Для большинства резисторов емкость Со имеет значение порядка
единиц пикофарад и существенна для резисторов с большим сопротив-
лением, используемых на высоких частотах. Емкостное сопротивление
такого резистора может составлять до 10 % значения активного сопро-

Рис. 4.2. Эквивалентная схема резистора:

К — сопротивление проводящего слоя; Ьо —
«паразитная» индуктивность выводов; Со —
«паразитная» емкость

Рис. 4.3. Эквивалентная схема
конденсатора:

/,0 — «паразитная» индуктив-
ность выводов; С — емкость
тивления, что ведет к изменению частотных характеристик электрон-
ной схемы.

Значение индуктивности имеет порядок сотых долей микро-
генри. Такая индуктивност ь резистора делает его уже чувствительным
к наводкам от внешних магнитных полей.

Конденсаторы составляют 20—30 % общего числа элементов элек-
тронной аппаратуры. Одним из важных параметров применимости
конденсаторов являются их частотные характеристики. Реальный кон-
денсатор не является чистой емкостью, а обладает, как показано на
рис. 4.3 еще и индуктивностью.

На рис. 4.3 эквивалентная схема конденсатора представляет собой
последовательный колебательный контур. Поэтому конденсатор выпол-
няет свои функции только до частоты последовательного резонанса.
Выше резонансной частоты конденсатор обладает уже индуктивными
свойствами. Это особенно важно, поскольку резонансные частоты
некоторых типов конденсаторов не превышают единиц мегагерц. На
практике для фильтрации, шунтирования и развязки используют элек-
тролитические конденсаторы, имеющие большие паразитные индук-
тивности, и на частотах выше десятков килогерц они начинают терять
свои емкостные свойства. При использовании на высоких частотах
их необходимо шунтировать конденсатором малой емкости с малой
индуктивностью.

К индуктивным катушкам относится широкий класс элементов, у
которых основным рабочим органом является обмотка. Удельный вес
индуктивностей в электронной аппаратуре составляет 3—7 %. Индук-
тивные катушки, в общем случае, можно разделить на две группы по
типу сердечника, на котором они намотаны: магнитный и немагнитный
(воздушный) сердечник. Индуктивные катушки с магнитным сердечни-
ком можно разделить на две подгруппы: замкнутые и разомкнутые.

Реальный индуктивный элемент характеризуется не только чистой
индуктивностью, но и распределенной (межвитковой) емкостью. На
рис. 4.4 показана эквивалентная схема индуктивного элемента, пред-
ставляющая собой параллельный колебательный контур, в котором на
некоторой частоте будет иметь место параллельный резонанс (резо-
нанс токов). Эта частота собственного резонанса индуктивного
элемента и определяет верхнюю частоту, до которой можно использо-
вать катушку индуктивности как индуктивность.

Одной из особенностей индуктивных элементов является их чувст-
вительность к паразитным магнитным полям и способность генериро-
вать эти поля (быть источником помех). Катушки индуктивности с воз-
душным или разомкнутым магнитным сердечником могут создавать
/

Рис. 4.4. Эквивалентная схема индук-
тивного элемента:

Ь — индуктивность; Со — «паразитная»
(межвитковая) емкость

Рис. 4.5. Эквивалентная схема про-
водника:

Ко — «паразитное» активное сопротивле-
ние; То — «паразитная» индуктивность

помехи, поскольку магнитный поток от них выходит за пределы
катушки (магнитные поля рассеяния) на значительное расстояние.
Катушки индуктивности, намотанные на замкнутом магнитном сер-
дечнике, создают намного меньшие магнитные поля рассеяния, так как
почти весь магнитный поток остается внутри магнитного сердечника.
Катушки с магнитным сердечником более чувствительны к магнитным
полям, чем катушки с воздушным сердечником. Экранирование кату-
шек индуктивности позволяет уменьшить их чувствительность к
«паразитным» магнитным полям.

Проводники являются обязательным компонентом электронной
аппаратуры. Поэтому при оценке шумовых и переходных характери-
стик электронных схем необходимо учитывать реальные параметры
проводников. Эквивалентная схема проводника представлена на
рис. 4.5.

Одним из наиболее важных параметром является «паразитная»
индуктивность На низких частотах проводник имеет «паразитное»
индуктивное сопротивление, превышающее активное. Значение
«паразитной» индуктивности проводника, находящегося на расстоя-
нии 1 см от заземляющей поверхности, порядка 0,02 мкГн/м. На высо-
ких частотах вследствие скин-эффекта «паразитное» активное сопро-
тивление проводника становится заметным.

Усилительные элементы (УЭ) электронных схем — это транзи-
сторы, интегральные схемы (операционные усилители) и т.п.

Для всех реальных УЭ характерно наличие в них внутренних
«паразитных» связей. «Паразитные» связи, определяемые конструк-
цией и технологией изготовления, устанавливают определенную зави-
симость между выходом и входом УЭ.

На рис. 4.6 показаны «паразитные» емкости усилительного элемента.

Усилительные элементы в зависимости от схемы их включения
обладают различными частотными свойствами, которые формируются
входной и выходной цепями.
Рис. 4.6. «Паразитные» емкости усилительного эле-
мента:

^О(вх) — «паразитная» входная емкость; С0(пр) — «пара-
зитная» проходная емкость

Частотные характеристики входной цепи зависят от внутреннего
сопротивления источника входного сигнала, входного сопротивления и
входной емкости С()(вх)- Частотные характеристики выходной цепи
зависят от тока нагрузки, коэффициента усиления и выходной емкости.

Усилительные элементы в интегральном исполнении имеют специ-
альные выводы, к которым в зависимости от используемого частот-
ного диапазона сигнала фирма-изготовитель рекомендует подключать
определенные корректирующие емкости, предназначенные для его
защиты от самовозбуждении.

Для успешной борьбы с электромагнитными помехами в ИИС надо
помнить, что все компоненты электронных схем не идеальны, а имеют
реальные характеристики.

На рис. 4.7 приведены частотные характеристики электронных
компонентов. Для каждого компонента показаны эквивалентная схема
замещения, отражающая его реальные частотные характеристики, и
зависимость модуля комплексного входного сопротивления от частоты.

Как видно из рис. 4.7, резистор с ростом частоты превращается в
резонансную цепь, конденсатор — в индуктивный элемент, индуктив-
ный элемент — в колебательный контур, соединительный проводник —
в высокоомный резистор, а у усилительных элементов наблюдается
уменьшение входного сопротивления. На практике это приводит к
тому, что электрические схемы становятся уязвимы при воздействии
на них различных источников высокочастотных электромагнитных
помех со стороны входа, выхода, цепей источников питания, внутрен-
них связей и т.п.

Для устранения помех такого рода на практике применяются раз-
личные методы их подавления: заземление входных и выходных цепей
шунтирующими конденсаторами, подключение к электронным схемам
корректирующих конденсаторов. Для подавления самовозбуждения на
резонансных частотах вводятся нейтрализирующие конденсаторы и
индуктивные катушки для устранения внутренних «паразитных» связей.

Из всего сказанного следует, что анализ причин появления помех
в сигнале ИИС связан с всесторонним учетом целого ряда помехообра-
зующих факторов. Следует отметить, что влияние неидеальносги элек-
Резистор

Идеальный

Реальный

Конденсатор

Индуктивный
элемент

Рис. 4.7. Частотные характеристики электронных компонентов:

7 — модуль комплексного входного сопротивления; /— частота; /0 — «паразитная» резо-
нансная частота; сплошные линии — идеальная характеристика; пунктирные линии —
реальная характеристика

тронных компонентов в ИИС, выполненных на базе современных
информационно-измерительных стандартов (УХ1, УМЕ и т.п.), прак-
тически отсутствует, так как в электронных блоках данных стандартов
предусмотрены меры защиты борьбы с помехами такого рода.

4.5.	Индустриальные помехи

Источники индустриальных, или искусственных, помех весьма раз-
нообразны, так как действие любого электромагнитного прибора или
устройства сопровождается электромагнитным излучением. Помехи
создаются промышленными и бытовыми электротехническими
приборами, линиями электропередачи, транспортом, устройствами
телекоммуникации, телевидения и другим оборудованием.

На рис. 4.8 приведена шкала естественного электромагнитного спек-
тра, освоенного человечеством для удовлетворения своих потребностей.

Действие источников индустриальных помех усиливается при про-
извольном и достаточно плотном размещении в пространстве вблизи
от ИИС. Большинство таких источников характеризуется сплошным
широким частотным спектром с наличием резких выбросов на опреде-
ленных частотах. Например, для линий электроснабжения высокого
напряжения характерны помехи, обусловленные коронными разря-
дами на поверхности проводников и изоляторов, которые представ-
ляют собой кратковременные импульсы 1—10 мс, а также помехи,
вызванные искажениями рабочего напряжения и тока, которые пред-
ставляют собой квазипериодические процессы и содержат гармоники
на частотах 0,1—150 кГц и выше. Каждый импульс может состоять из
последовательности более коротких импульсов меняющейся длитель-
ности. Помеха обладает сплошным, почти равномерным спектром от
50 Гц до 100 кГц.

Для осветительных и различных электромеханических устройств
характерны импульсные помехи различной длительности — 10-7—
10-1 с и частотой 1-—103 Гц. Например, люминесцентные лампы явля-
ются источниками значительных помех со спектром до 100 МГц за
счет зажигания и гашения столба ионизированного газа с частотой
100 Гц; этот процесс, в свою очередь, приводит к скачкам тока в
питающих цепях, т.е. к кондуктивным помехам в электросети.

Интенсивные импульсные помехи создают электротранспорт (при
нарушении контакта между проводами и токосъемниками), сварочные
аппараты, электродвигатели и другие мощные электротехнические
устройства В результате действия всех этих источников в окружаю-
щем пространстве возникает электромагнитный фон, включающий

1	103	106  II	1	1	109	1012	1015	1018	1021	.  1	1	1	1	1 /Гц
|[	1	1  1	Радио+  1	теле-  видение	11111  Микро-	ИК—	Рентге-	у-Лучи  волны	свет—УФ новские  1	лучи
Электроснабжение	Неионизирующие | Ионизирующие излучения	1 излучения

Рис. 4.8. Шкала электромагнитного спектра
в себя поля как промышленной частоты, так и высокочастотные и
импульсные.

На протяжении последних 30—40 лет наблюдается резкое обостре-
ние проблемы индустриальных помех. Это происходит по следующим
причинам:

по мере расширения применения разнообразных электро- и радио-
приборов и возрастания их мощности окружающие электрические,
магнитные и электромагнитные поля становятся все более интенсив-
ными и разнообразными по своим характеристикам;

расширение использования микропроцессорной, измерительной,
вычислительной техники происходит на фоне растущей миниатюриза-
ции изделий, а связанное с этим снижение уровней рабочих напряжений
и полезных сигналов приводит к понижению соотношения сигнал/шум.

Если сравнительно недавно актуальными являлись проблемы
борьбы с радиопомехами и защиты изоляции электроустановок от гро-
зовых и коммутационных перенапряжений, то в настоящее время все
большее значение приобретают другие аспекты обеспечения электро-
магнитной совместимости, такие как ослабление излучений помех,
рациональное построение электрических схем и конструкций прибо-
ров, защищающие их от проникновения помех через сеть питания,
корпус, сигнальные вводы, систему заземления и т.п.

В [33] приведены международные нормативные документы допус-
каемых уровней излучений для различных источников индустриаль-
ных помех.

4.6.	Заземление

На практике существуют различные задачи заземления электриче-
ских устройств, для решения которых требуются разные методы.

Разнообразие задач заземления отражено и в терминологии. При
заземлении сильноточных электротехнических устройств, когда реша-
ются задачи обеспечения техники безопасности обслуживающего персо-
нала, грозозащиты электротехнических устройств и т.п., пользуются
такими понятиями, как земля, заземление, заземленный корпус, защит-
ное заземление, защитный провод, нулевой провод заземления и др.

При заземлении слаботочных электротехнических устройств (ИИС,
электронных приборов и т.п.), когда решаются задачи обеспечения
электромагнитной совместимости, используются понятия: системная
земля, аналоговая земля, цифровая земля, масса, сигнальная масса,
измерительная масса и др.
Поэтому для правильного выполнения заземления ИИС необхо-
димо хорошо понимать и различать два понятия — земля и системная
земля.

Земля — защитное заземление, которое служит для защиты людей,
животных, устройств и т.п.

Системная земля — эквипотенциальная поверхность, потенциал
которой служит для ИИС и электронных схем уровнем отсчета напря-
жения.

Заземление — устройство для электрического соединения с землей
аппаратов, машин, приборов и т.п. Оно состоит из зарытых в землю
металлических электродов (заземлителей) и проводников, соединяю-
щих их с заземляемыми частями установок. Заземлители представляют
собой забитые вертикально в землю стальные трубы, рельсы или гори-
зонтально уложенные стальные или медные полосы и провода.

В электрических системах различают:

рабочее заземление (нейтрали трансформаторов, генераторов и т.п.);

заземление безопасности (корпуса электрических машин, аппаратов
и т.п.), когда путем уменьшения сопротивления заземлителей и выравни-
ванием потенциала на территории, занимаемой данным электротехниче-
ским оборудованием, предельно снижаются напряжение прикосновения
и шаговое напряжение, под которое может попасть обслуживающий
персонал при коротком замыкании в этом оборудовании;

грозозащитное заземление, которое подразделяется на внешнее и
внутреннее.

В последнее время вместо термина «грозозащита» применяется
термин «молниезащита». Этот термин является более обобщающим
понятием и требует всестороннего изучения вопроса защиты электро-
оборудования в каждом конкретном случае.

На практике наибольшее распространение получили трехфазные
электрические сети благодаря:

более выгодной, в экономическом отношении, передаче энергии на
дальние расстояния трехфазным током, чем передача энергии пере-
менным током с иным числом фаз;

элементы трехфазной системы — трехфазный двигатель, трехфаз-
ный трансформатор и т.п. — просты в производстве, экономичны и
надежны в работе;

трехфазная система обладает при определенных условиях свойст-
вом неизменности значения мгновенной мощности системы за период
синусоидального тока. Это свойство справедливо в том случае, если
нагрузка во всех трех фазах трехфазного генератора будет одинакова;
поэтому в качестве примера рассмотрим общую схему системы зазем-
ления трехфазной электрической сети (рис. 4.9).
Рис. 4.9. Схема заземления систем трехфазной электрической сети
Подключение к электрической сети и эксплуатация электрообору-
дования выполняются в соответствии с «Правилами по технике безо-
пасности при эксплуатации электроустановок потребителей» (ПТБЭ)
и «Правилами по технической эксплуатации электроустановок потре-
бителей» (ПТЭЭ):

1.	Для обеспечения безопасности людей должны быть сооружены
заземляющие устройства, к которым надежно должны быть подклю-
чены металлические части электроустановок и корпуса электрообору-
дования, которые вследствие нарушения изоляции могут оказаться под
напряжением.

Под корпусом понимается проводящая часть электроустановки, к
которой возможно прикосновение (людей, животных, устройств и др.)
и которая не является частью рабочего электрического контура.

2.	К частям, подлежащим заземлению, относятся:

а)	корпуса электрических машин, трансформаторов, аппаратов, све-
тильников и т.п.;

б)	приводы электрических аппаратов;

в)	вторичные обмотки измерительных трансформаторов;

г)	каркасы распределительных щитов, щитов управлений, щитков и
шкафов;

д)	металлические конструкции распределительных устройств, метал-
лические кабельные конструкции, металлические корпуса кабельных
муфт, металлические оболочки и брони контрольных и силовых кабе-
лей, металлические оболочки проводов, стальные трубы электропро-
водки и другие металлические конструкции, связанные с установкой
электрооборудования;

е)	металлические корпуса передвижных и переносных электропри-
емников.

3.	Отключение электроустановок при однофазных замыканиях на
землю может также осуществляться с помощью защитного отключе-
ния, которое выполняется в дополнение или взамен заземления.

Отключение должно осуществляться автоматами, удовлетворяю-
щими специальным техническим условиям по надежности действия.

Должна быть также предусмотрена возможность контроля исправ-
ного действия автомата защитного отключения (контрольная кнопка).
Защитное отключение рекомен цуется для случаев, когда безопасность
не может быть обеспечена путем устройства заземления или когда уст-
ройство заземления вызывает трудности по условиям выполнения.

4.	При невозможности выполнения заземлении в электроустановках
или устройств защитного отключения, или если это представляет зна-
чительные трудности по технологическим причинам, допускается
обслуживание электрооборудования с изолирующих площадок. Изоли-
рующие площадки должны быть выполнены таким образом, чтобы вне
изолирующей площадки исключалась возможность случайного прикос-
новения к незаземленным частям электроустановки.

5.	В цепи нулевых проводов, если они одновременно служат для
целей заземления, не должно быть разъединяющих аппаратов и предо-
хранителей.

6.	Каждый заземляемый элемент установки должен быть присоеди-
нен к заземлителю или к заземляющей магистрали посредством
отдельного ответвления.

Последовательное включение в заземляющий проводник несколь-
ких заземляемых частей установки запрещается.

7.	Присоединение заземляющих проводников к заземлителям и
заземляемым конструкциям должно быть выполнено сваркой, а к кор-
пусам аппаратов, машин и т.п. — сваркой или надежным болтовым
соединением, при этом в сырых помещениях с едкими парами или
газами контактные поверхности должны иметь защитные покрытия.
Концы заземляющих гибких проводников, применяемых для присое-
динения к корпусам аппаратов, машин и т.п., должны иметь приварен-
ные наконечники.

При наличии сотрясений или вибраций должны быть приняты
меры против ослабления контакта (контргайки, контршайбы и т.п.).

Заземление оборудования, подвергающегося частому демонтажу
или установленного на движущихся частях машин, должно выпол-
няться с помощью гибких проводников с приваренными к ним нако-
нечниками.

8.	Заземляющие проводники должны быть защищены от коррозии.

9.	Открыто проложенные неизолированные проводники и сети
заземления должны быть окрашены в черный цвет.

Допускается окраска открытых заземляющих проводников в иные
цвета в соответствии с оформлением помещения, но при этом они
должны иметь в местах присоединений и ответвлений не менее чем
две полосы черного цвета на расстоянии 150 мм друг от друга.

10.	Заземляющие проводники, расположенные в помещениях,
должны быть доступны для осмотра.

Это требование не относится к нулевым жилам и металлическим
оболочкам кабелей, трубопроводам скрытой электропроводки, находя-
щимся в земле металлоконструкциям, а также проводникам заземле-
ния, проложенным в трубах.
11.	Каждое находящееся в эксплуатации заземляющее устройство
должно иметь паспорт, содержащий схему заземления, его основные
технические данные, данные о результатах проверки состояния зазем-
ляющего устройства, о характере произведенных ремонтов и измене-
ниях, внесенных в устройство заземления.

На рис. 4.9 показано, что рабочее заземление выполнено для трех-
фазного трансформатора на трансформаторной подстанции. Нулевая
точка трансформатора О заземлена защитным проводом нейтрали ЗПН
через сопротивление заземления 7ЗН. Провод ЗПН является обратным
проводом для рабочих токов всех потребителей электроэнергии, вклю-
ченных между линейными проводами электрической сети: Л\, Пу, Л^ и
ЗПН. Линейные провода на трансформаторной подстанции защищены
автоматами защиты АЗ.

Трансформаторная подстанция имеет систему внешней молниеза-
щиты — молниеотвод (громоотвод) — устройство для защиты зданий,
промышленных, транспортных, коммунальных, сельскохозяйственных
и других сооружений от ударов молнии. Молниеотвод состоит из элек-
трода в виде тонкого, заостренного на конце металлического стержня,
устанавливаемого над защищаемым объектом (стержневой молниеот-
вод), или в виде провода (троса), обычно протягиваемого над линиями
электропередачи (тросовый молниеотвод — грозозащитный трос) из
линии спуска и надежного заземления с общим сопротивлением не
более 10 20 Ом. На электрических подстанциях для отвода токов
молнии обычно используется рабочее заземление (см. рис. 4.9).

Достаточной защитой от молнии жилых домов или других зданий с
металлическими крышами является надежное заземление крыши. Зда-
ния с центральным отоплением, водопроводом и подземной электро-
проводкой практически являются защищенными от молний и не нуж-
даются в специальных молниеотводах. При нормальной работе
защитный провод корпуса прибора, подключенный к проводу ЗП, не
проводит ток, а проводит его только в аварийной ситуации. В аварий-
ной ситуации корпус прибора находится под напряжением (при повре-
ждении электрической изоляции, выходе из строя электрических ком-
понентов установки и т.п.).

На рис. 4.9 показано, как, например, при повреждении изоляции
происходит замыкание на корпус прибора линейных проводов Л^,Л2
трехфазной электрической сети. Возникающий ток короткого замыка-
ния вызывает срабатывание автоматов защиты (заземление безопасно-
сти) АЗ^Б, А31Б от токов перегрузки линейных проводов. Кроме того,
на рис. 4.9 показано, как трехфазная электрическая сеть через систему
ввода попадает в здание. На вход устанавливаются автоматы защиты
АЗ. Токи, поступающие на эквипотенциальную шину I, текут через
ЗПН и сопротивления заземления 23 н и 73 3 обратно к вызывающему
их источнику напряжения (трансформаторной подстанции). Ней-
тральный провод Н на эквипотенциальной шине I обладает потенциа-
лом земли (рр однако его потенциал фгн с удалением от шины растет
из-за падения напряжения рабочих токов /н1 на сопротивлении г/н1 и
явно отличается от него (ф/н > ф]). Защитный провод ЗП, благодаря
отсутствию в нем токов, на всей своей длине должен иметь потенциал
земли фр

Однако в современных приборах для решения проблем электромаг-
нитной совместимости устанавливаются помехозащищающие сетевые
фильтры, которые в сумме вызывают протекание значительных токов
утечек /зп1, т.е. потенциал провода ЗП отличается от ф] (фй>н1 > ф]).
Для всех электроприборов и электроустановок выполняется заземле-
ние безопасности. Корпуса электрооборудования и «земляной» зажим
штепсельных розеток электрической сети соединяются с защитным
проводом ЗП (или с нейтральным проводом Н в том случае, когда он
используется одновременно и как защитный провод ЗП). Вызванные
этими токами падения напряжения действуют как синфазные напряже-
ния (помеха общего вида) в контурах заземления, которые могут быть
значит ельными и опасными для людей.

В общем случае внутренняя молниезащита — это ряд мероприятий,
способствующих бесперебойной работе компьютеров, электронных
устройств, ИИС и другого оборудования (см. рис. 4.9).

1.	Выравнивание потенциалов всех проводящих частей здания
(трубы отопления, системы газоснабжения, водопроводные) с потен-
циалом молниеотвода, заземлителя и заземленным проводом нейтрали
ЗПН (эквипотенциальная шина I).

В настоящее время в связи с широким распространением микро-
электроники одним из важнейших условий обеспечения надежной
работы электронных систем, компьютерных сетей и другого
оборудования становится внутренняя молниезащита, которая пред-
ставляет собой сложную систему заземления предприятия. Внутрен-
няя молниезащита предназначена для защиты электрических устано-
вок, электронных приборов, компьютеров и другого оборудования
внутри зданий от перенапряжений в силовой сети (коммутационные,
грозовые перенапряжения), от повышения потенциала в системе
заземления (от частичных токов молний) и электромагнитных полей
(естественных и искусственных источников). Поэтому в настоящее
время здания с многочисленными информационно-техническими уст-
ройствами и ИИС формально разделяют по признаку молниезащитных
зон (уровню допустимых перенапряжений в сети).

На рис. 4.9 показано, что внутренние помещения здания подразде-
ляются на несколько обособленных защитных зон, которые в общем
случае могут быть образованы устройством внешней молниезащиты,
внутренними экранированными помещениями, измерительными каме-
рами, корпусами приборов и т.п. На границе защитных зон имеются
отчетливые соединения, на которых располагаются единообразные
элементы защиты от токов, обусловленных перенапряжениями.

2.	Между линейными проводами Л1} Л2, Л3 и эквипотенциальной
шиной I включаются вентильные разрядники В у В2, В2, которые сраба-
тывают как при перенапряжениях, поступающих из сети, т.е. созданных
самими потребителями (переходные процессы), так и во время прямого
и удаленного удара молнии (индуцированные грозовые перенапряже-
ния). Благодаря вентильным разрядникам перенапряжение между экви-
потенциальной шиной и линейными проводами (фазами сети) никогда
не становится больше, чем напряжение срабатывания установленных
вентильных разрядников, т.е. внутренняя электрическая сеть испыты-
вает одинаковое повышение потенциала.

Как показывает практика, перенапряжения, обусловленные мол-
нией в электрических трехфазных сетях, не превышают 6 кВ. Поэтому
вентильные разрядники В у В2, В2 (см. рис. 4.9), установленные на
входе трехфазной электрической сети в здание, имеют пробивное
напряжение С/проб 6 кВ.

3.	Применение эшелонированной защиты в электрических сетях.

На практике в зависимости от расстояния между ответвителем и
потребителем устанавливаются следующие ступени пороговых пере-
напряжений: 6; 4; 2,5 и 1,5 кВ, как вызванные грозовыми перенапряже-
ниями, так и созданные самими потребителями (переходные коммута-
ционные процессы в сети).

На рис. 4.9 показана система заземлении внутренней молниеза-
щиты здания предприятия для двух зон. Благодаря рационально эше-
лонированной защите в электрических сетях удается осуществлять
требуемую координацию изоляции. Информационно-измерительная
система питается от электрической сети, поэтому перенапряжения,
возникающие в сети от коммутационных процессов, электростатиче-
ских явлений и т.п., могут привести к отказам в работе систем. Зоны
молниезащиты строятся по типовой схеме, в которой, как правило,
используются аналогичные элементы (В} и В[ , А3} и А3{ , АЗ}Б и

А31В{ и т.д.).

Молнии, как упоминалось выше, способны наводить в таких систе-
мах, даже находящихся на значительном удалении от места разряда,
значительные напряжения, легко разрушающие чувствительную элек-
тронику.

4.7. Методы защиты от помех ИИС

Информационно-измерительная система представляет собой сово-
купность энергетических установок, измерительных и вычислитель-
ных приборов на действующем объекте. Приборы, входящие в состав
ИИС, должны быть защищены от воздействия на них помех. В наи-
большей степени это относится к измерительным блокам, так как от
достоверности и точности полученной от них информации, зависит
правильность принятых в дальнейшем решений.

Возникновение «паразитных» электромагнитных связей между раз-
личными приборами ИИС может явиться одной из причин появления
помех.

Обычно современные измерительные приборы, входящие в состав
ИИС, конструктивно выполнены в виде трех функциональных блоков:
аналогового, логического (цифрового) и источника питания. Питание
аналоговой и логической частей прибора осуществляется от отдельных
обмоток общего сетевого трансформатора. «Паразитные» емкостные
связи между обмотками сетевого трансформатора, а также наличие
«паразитных» монтажной индуктивности, емкости и сопротивлений
утечек по изоляции между элементами прибора могут явиться причи-
ной распространения помех. Защита прибора от проникновения в него
помех по «паразитным» цепям заключается в его конструктивном раз-
делении на функциональные изолированные блоки. Для изоляции
используются индивидуальные электростатические (медные), а в неко-
торых случаях магнитные (пермаллоевые) экраны.

Развязка аналоговой части измерительного прибора от остальных
может осуществляться также посредством трансформаторов или
оптронов (электромагнитная или оптическая), что позволяет снизить
паразитные емкости между ними до единиц пикофарад, а сопротивле-
ние утечек до сотен мегаом. Значительное подавление помех от питаю-
щей сети обеспечивается интегрирующим принципом действия изме-
рительного прибора, поэтому наличие даже больших наводок во
входной цепи может не вызвать изменения показаний.
Широко распространенным приемом борьбы с электромагнитными
помехами разного типа является заземление отдельных приборов и
системы в целом, т.е. соединение приборов с одной произвольной точ-
кой, электрический потенциал которой имеет некоторое определенное
значение. Первоначально так называлась точка, которая действительно
соединялась с землей, после чего ее потенциал принимал значение
потенциала земли (нулевой потенциал). Однако с появлением систем,
распределенных на большие расстояния, проявился эффект эквипотен-
циальных линий на поверхности Земли и первоначальное использова-
ние термина «земля» стало некорректным.

Реально в электронных системах устанавливается точка заземле-
ния, которая является точкой отсчета потенциалов, однако для учета
относительности заземления используется зермин «системная земля».
В случае действительного соединения приборов с землей этот термин
приобретает свое первоначальное историческое значение.

В технической литературе можно встретить следующие названия:
аналоговая, сигнальная, измерительная, малошумящая земля, кото-
рую обозначают в виде -1 Л, (I). В качестве такой измери-
тельной земли обычно выбирают общую шину аналогового источника
питания;

логическая, дискретная, цифровая земля (^7,^,-!-). Цифровая
земля — общая шина цифрового источника питания;

корпус или шасси прибора, корпусная земля (В1,	, - ),

I

шина контура заземления, системная земля , у ).

Неоднозначность обозначений часто приводит к путанице в поня-
тии «земля», поэтому в дальнейшем для успешной борьбы с помехами
следует придерживаться следующих обозначений:

измерительная земля '\7;	цифровая земля

корпусная земля /77|77;	системная земля у.

Правильно выполненное заземление измерительной системы позво-
ляет сделать минимально возможным напряжение шумов, возникаю-
щее при прохождении токов от двух или более приборов ИИС через
общее сопротивление системной земли (шина контура заземления) и
избежать образования «паразитных» контуров заземления. Информа-
ционно-измерительная система обязательно должна иметь системную
землю для обеспечения безопасности работающего персонала и созда-
ния опорного потенциального уровня для отсчета всех напряжений.
Во многих странах существует стандарт на выполнение разводки сети
переменного напряжения 220 В с частотой 50 Гц в промышленных и
жилых зданиях. Эта разводка проводится по трехпроводной схеме, как
показано на рис. 4.10.

Ток в нагрузку течет по силовому (черному) проводу, в цепи кото-
рого находится предохранитель, а возвращается по нейтральному
(белому) проводу, кроме того, ко всем корпусам оборудования под-
ключается провод защитного заземления (зеленого цвета). При воз-
никновении повреждения схемы нагрузки (прибора) ток через провод
заземления проходит только в течение времени, которое необходимо,
чтобы сработал предохранитель (электрическая цепь сети разрыва-
ется). Поэтому у электронных приборов с трехполюсной вилкой пита-
ния, рассчитанных на включение в такие сети, корпус автоматически
заземляется.

Отдельный измерительный прибор также требует заземления для
повышения его помехозащищенности. Практические приемы борьбы с
помехами рассмотрим на примере измерительного прибора, подклю-
ченного к объекту. В общем случае во входных цепях прибора возни-
кают помехи:

между проводами измерительной линии за счет электромагнитных
наводок во входном контуре, а также на сопротивлениях линии связи
за счет «паразитных» токов утечек, так называемые помехи нормаль-
ного вида (ПИВ);

в цепях заземления из-за различия потенциальных точек заземле-
ния у источника измеряемого сигнала и прибора, такие помехи содер-

Рис. 4.10. Стандартная трехпроводная схема разводки сети переменного напряжения
жат как постоянную, так и переменную составляющие напряжения и
называются помехами общего вида (ПОВ).

Борьба с ПНВ ведется путем введения в структурную схему изме-
рительного прибора дополнительных схем компенсации, сглаживаю-
щих фильтров, применением интегрирующих алгоритмов работы при-
бора и автоматической обработки результатов измерения. Эта задача
решается разработчиками данного измерительного прибора, а резуль-
таты ее решения отражены в его технических характеристиках по поме-
хозащищенности.

Борьба с ПОВ ведется путем применения различных схем эквипо-
тенциальной защиты входных цепей измерительного прибора, а
именно правильным выбором точек заземления, экранированием
источников помех, гальванической развязкой первичных преобразова-
телей и т.п. Как правило, решение этих задач ложится на плечи пользо-
вателя измерительного прибора.

Ниже рассмотрим некоторые практические схемы подключения
измерительного прибора к источнику сигнала.

Если источник сигнала можно заземлить, то следует применять
схему подключения, изображенную на рис. 4.11, в которой измери-

Рис. 4.11. Схема заземленного источника сигнала:

Ес — источник сигнала; Еп — источник помехи; Ки — сопротивление измерительной линии;
/?экр — сопротивление экрана (оплетка кабеля); 1п — «паразитный» ток помехи; 7ВК — ком-
плексное входное сопротивление измерительного прибора; СП1, /?у1 — «паразитная» емкость
и сопротивление утечки между аналоговой частью и аналоговым экраном измерительного
прибора; Сп2, Лу2 — «паразитная» емкость и сопротивление утечки между аналоговым экра-
ном и корпусом измерительного прибора
тельная С, корпусная С и системная земли соединяются вместе, при
этом напряжение на зажиме Ь равно нулю.

Как видно из рис. 4.11, «паразитный» ток помехи /п от источника
помех Еп замкнут по контуру заземления (системная земля). Через
сопротивление линии Н проходит ток помехи /в > который вызы-
вает на нем падение напряжения 1Еп . Напряжение, приложенное
между зажимами Н и Е

Цц=Ес~ кЕс’

ЕиКН

где Щ =1^н=^,0.

КН + Лъх

Так как Хвх велико (17ВХ | > 100 МОм), то измерительный прибор,
включенный по схеме рис. 4.11, практически не чувствителен к ПОВ.

Если источник сигнала не может быть заземлен, то следует приме-
нять схему подключения, изображенную на рис. 4.12.

Источник сигнала находится под напряжением помех относительно
системной земли. В этом случае напряжение, приложенное между
входными зажимами Н и Ь:

IIНт = Е- 1СКН-Г Кн-7СЯ, + ЕКг = Е- (I + Е - (Е -Е)К,,
Е1Е С С п И П СЕ П Е	С х С П /	/7 х с	Е ?

где

_	ЕС	,	Еп	Еи

1с ~	” тги+ги + г„2; " ~ н. + г^

Так как 7ВХ >100 МОм, то токи 1С и малы: /с « 7’ ~ 0, поэтому

= Ес +

Таким образом, на входе ИП присутствует не только напряжение
сигнала Ес, но и напряжение помехи С'п, которое вызвано прохожде-
нием тока помехи 7П через сопротивление /?/ линии Е.

В общем случае источником ПОВ в цепи заземления приборов явля-
ется сеть переменного тока (220 В, 50 Гц), поэтому можно считать, что
ток помехи определяется значением «паразитной» емкости СП2, так
как Ку2 — сопротивление утечки (изоляция) — учитывается в случае
наличия источника помехи напряжения постоянного тока. Так как ток
помехи

Еп

^п~1/(соСп2) ~
Рис. 4.12. Схема незаземленного источника сигнала:

/с — ток сигнала; — сопротивление измерительной линии; 7п] — паразитное полное
сопротивление между аналоговой частью и аналоговым экраном измерительного при-
бора; /П2 — паразитное полное сопротивление между аналоговым экраном и корпусом
измерительного прибора; Ц, — напряжение помехи;

где со = 2 л//= 50 Гц (частота сети), то падение напряжения помехи на
сопротивление

Это напряжение помехи приложено между входными зажимами Н
и Ь. Таким образом, схема включения, изображенная на рис. 4.12,
позволяет уменьшить действие ПОВ в соответствии с соотношением

Еп	Еп =	1

Еп ЕпыЕп2ЕЬ

Например, если Сп2 « 1000 пФ, а / ~ 1000 Ом, то ПОВ будет
уменьшена во много раз:

------- = -------------х 3200

2л50 • 10 9 • 103

Если источник сигнала допускает соединение с ним зажимы С
измерительного прибора, то в этом случае следует применять схему,
изображенную на рис. 4.13. В этой схеме сопротивление экрана линии
связи /?ЭКр ~0и ток помехи /п не проходит через а замыкается по
цепи контура системной земли, проходя через «паразитную» емкость
Сп2. При этом степень подавления ПОВ будет наибольшей по сравне-
нию с предыдущей схемой.

Схема подключения источника сигнала к измерительному прибору
с защитой от ПОВ наиболее предпочтительна, но не всегда возможна.
Экранированная витая пара

Рис. 4.13. Схема защиты от ПОВ

Правильно выполненное заземление ИИС — один из основных
методов уменьшения нежелательных «паразитных» помех. Оно позво-
ляет сделать минимально возможным напряжение помехи, возни-
кающее при прохождении возвратных токов от приборов, входящих
в состав ИИС, через общее сопротивление контура заземления (сис-
темная земля) и избежать образование «паразитных» контуров зазем-
ления, чувствительных к электромагнитным полям. Заземление
ИИС, состоящих из нескольких приборов, в общем случае может
быть выполнено двумя способами: заземление в одной или в несколь-
ких точках. В свою очередь, заземление в одной точке может быть
выполнено с последовательным или параллельным подключением
приборов: первое называется ИИС с общей землей, второе — ИИС
с раздельными землями.

На рис. 4.14 изображена схема последовательного, а на рис. 4.15 —
параллельного заземления приборов в одной точке.

На рис. 4.16 показана схема заземления в нескольких точках.

По помехозащищенности наиболее нежелательной является схема,
приведенная на рис. 4.17, так как при этом способе подключение
отдельных приборов к системной земле производится последова-
тельно общим проводом. Сопротивления Т?2, на рис. 4.17 пред-
ставляют собой сопротивления заземляющего проводника, а 12,
— возвратные («паразитные») токи корпусных земель приборов; в
точке А потенциал отличен от 0:

Фл = Фо + (Л + 4 +

где <Ро = 0 (потенциал системной земли).
Рис. 4.14. Последовательное заземле-
ние в одной точке:

1, 2, 3 — приборы, входящие в состав
ИИС

Рис. 4.15. Параллельное заземление
в одной точке

Рис. 4.16. Заземление в нескольких точках

Рис. 4.17. Электрическая схема с общим (последовательным) проводом заземления:

Т?2, /?3 — сопротивления заземляющих проводников; Ц, 12,1т, — возвратные токи при-
боров; <р^ фй фС — электрические потенциалы

Эта схема заземления приборов менее желательна, хотя благодаря
своей простоте она является наиболее часто применяемой на практике.
Такую схему заземления не следует использовать для приборов с боль-
шим разбросом по потребляемой мощности, так как значение «пара-
зитных» возвратных токов прямо пропорционально мощности потреб-
ления прибора. Поэтому при использовании такой схемы заземления
наиболее критичный (измерительный) прибор следует подключать как
можно ближе к точке первичного заземления к системной земле.

Схему с параллельным включением приборов (см. рис. 4.15) жела-
тельно использовать на низких частотах, поскольку при этом нет пере-
крестных связей между возвратными «паразитными» токами заземляе-
мых приборов. На рис. 4.18 приведена электрическая схема с
раздельными проводами заземления. Потенциалы корпусов приборов
(корпусные земли):

Фл = Ф0+/1^Ь

Фв = Фо + ^2»
Рис. 4.18. Электрическая схема с раздельными проводами заземления

Обозначения те же, что на рис. 4.17

Фс ~ Фо +

Фо = О.

Потенциал корпусной земли прибора является функцией паразит-
ного возвратного тока прибора и сопротивления провода заземления
только для данного прибора. Эта схема заземления требует большого
числа заземляющих проводов, и ее не рекомендуется применять для
высокочастотных приборов (или при наличии высокочастотных источ-
ников помех, имеющих связь с системной землей). На высоких часто-
тах паразитные индуктивности заземляющих проводов увеличивают
их сопротивление, а вместе с «паразитными» емкостями между прово-
дами заземления («паразитные» монтажные емкости) они создают
индуктивно-емкостные взаимные «паразитные» связи между зазем-
ленными по такой схеме приборами.

На рис. 4.19 показана электрическая схема заземления приборов в
нескольких точках. Эта схема заземления наиболее часто применяется

Рис. 4.19. Электрическая схема заземления в нескольких точках:

г2,	— сопротивления участков шины контура заземления (системная земля); <рл, <р5,

Фс— электрический потенциал в соответствующих точках; Ь2, Ьт, — «паразитные» индук-
тивности заземляющих проводников; С12, С23, С3/ — «паразитные» монтажные емкости
доточена на большой площади. Схема заземления в нескольких точках
является наиболее уязвимой и нежелательной при борьбе с помехами,
так как «паразитные» возвратные токи 1\, 12, Ц от приборов протекают
через общие сопротивления г2, г, шины контура заземления.
Поэтому ИИС, работающие на низких частотах, не следует заземлять
по данной схеме. Эту схему рекомендуется применять для ИИС, рабо-
тающих на высоких частотах, так как в этом случае она может обеспе-
чить наилучшие результаты их помехозащищенности.

Приборы ИИС заземляются по возможности короткими проводами
(не более нескольких сантиметров) и к ближайшей точке шины кон-
тура заземления. Применение коротких проводников заземления
позволяет снизить их собственную «паразитную» индуктивность
Ь2, Ьз, а разнесение их на значительное расстояние друг от друга —
уменьшить «паразитные» монтажные емкости взаимной связи С12,
С22, С31. Как показывает практика, на частотах до 1 МГц предпочти-
тельнее схема заземления в одной точке (см. рис. 4.15), а свыше еди-
ниц мегагерц лучшие результаты обеспечивает схема заземления в
нескольких точках (см. рис. 4.16). Как правило, на практике заземле-
ние ИИС представляет собой комбинацию последовательного и парал-
лельного заземления приборов в одной точке.

Такая комбинация обычно бывает компромиссным решением
между борьбой с помехами и задачей избежать увеличения провод-
ного монтажа. Одним из таких решений является выборочная группи-
ровка заземляющих проводов, такая, чтобы приборы и установки с
сильно различающими уровнями потребляемой мощности и помех не
имели общего заземляющего провода. Общая схема практического
выполнения заземляющих соединений ИИС приведена на рис. 4.20.

В качестве примера рассмотрим упрощенную схему заземления
ИИС «Сплав», которая приведена на рис. 4.21.

ИИС «Сплав» представляет собой технологический модуль по
выращиванию кристаллов, рабочие режимы в котором задаются и под-
держиваются измерительной системой УХ1. Основной особенностью
ИИС «Сплав» является то, что его энергетические установки удалены
друг от друга на значительное расстояние (находятся в разных поме-
щениях), имеют разные уровни потребления мощности и подключены
к различным источникам питания.

Исходя из конкретных условий эксплуатации и во избежание уве 
личения проводного монтажа, заземление ИИС «Сплав» следует
выполнять как комбинацию последовательного и параллельного под-
соединения приборов в нескольких точках. Все приборы группиру-
ются по уровню своих собственных помех и их корпуса заземляются
Измерительная
земля

Цифровая земля	Корпусная земля

(корпуса приборов
с низким уровнем
сигналов)

(корпуса цифровых
приборов, ПЭВМ)

"малошумящая"
(корпуса реле,
двигателей,
приборов с малым
потреблением
мощности)

"шумящая"
(корпуса
двигателей,
установок
и приборов
с большим
потреблением

мощности)

Рис. 4.20. Общая схема заземления ИИС

водной точке к системной земле. Как видно из рис. 4.21, ИИС
«Сплав» включает в себя:

1.	Энергетические установки с большим потреблением мощности:
ВН— вакуумный насос; НВО — насос водяного охлаждения; нагрева-
тель, состоящий из блока питания БП, фильтра Ф, системы управления
СУ и самого нагревателя, находящегося в модуле (шумящие корпусные
земли). Однако заземление корпусов ВН, НВО и модуля к шине контура
заземления (системная земля) было сделано при их монтаже соответст-
венно в точках А, В, С и доступ к ним практически не возможен.

2.	Энергетические установки с малым потреблением мощности и
ключевым (релейным) режимом работы: ШИМ — широтно-импульс-
ный модулятор с блоком питания Б5-8 (малошумящая корпусная земля).

3.	Цифровые (вычислительные) системы: компьютер ПЭВМ (циф-
ровая земля).

4.	Системы с низким уровнем входных сигналов: измерительная
система УХ1 (измерительная земля).

Наиболее уязвимыми местами проникновения помех в ИИС
«Сплав» являются:

измерительная линия с первичным преобразователем (термопара),
так как этот преобразователь не может быть заземлен, нет доступа в
модуль;

цепи источников питания, так как нейтральные линии (однофазная
-220 В, 50 Гц и трехфазная ~Зх380В,50Гц) источников питания под-
Шина контура заземления здания

Рис. 4.21. Схема заземления ИИС


соединены к шине контура заземления здания на разных удаленных
друг от друга распределительных щитах, из-за чего появляется вероят-
ность возникновения разных потенциалов в точках их заземления.

Провода измерительной линии на доступном к ним участке поме-
щаются в экран, который подключается к зажиму С измерительной
системы УХ1. Подключение термопары к измерительной системе УХ1
выполняется по схеме с незаземленным источником (см. рис. 4.12), так
как источник сигнала (термопара) нельзя заземлить из-за невозможно-
сти доступа в модуль. Зажимы С и С следует объединить, чтобы для
ПОВ исключить (закоротить) «паразитную» емкость Сп2 между экра-
ном аналоговой части и корпусом системы УХ1.

После проведения вышеуказанных рекомендаций по заземлению
ИИС «Сплав» (см. рис. 4.21) уровень помех, приведенный ко входу
измерительной системы УХ1 (зажимы Н и Е), не превышал 2 мкВ
(двойной размах по амплитуде).

На практике при борьбе с помехами в ИИС следует выполнять
следующие мероприятия (при этом предполагается, что уровень собст-
венных шумов измерительного канала известен из его технических
характеристик; полоса частот полезного сигнала известна; источники
помех не известны):

1)	снять спектральную характеристику сигнала на выходе измери-
тельного канала;

2)	по спектральной характеристике сигнала определить характер-
ные частоты помех;

3)	по характерным частотам помех провести анализ (поиск) пред-
полагаемых источников помехи;

4)	по электрической схеме ИИС с учетом паразитных монтажных
индуктивностей, емкостей и контуров связи определить возможные
пути проникновения в измерительный канал помехи от предполагае-
мых источников:

по входным измерительным линиям, для этого надо закоротить изме-
рительный кабель со стороны источника сигнала (датчика) и снять спек-
тральную характеристику сигнала на выходе измерительного канала;

по цепям питания (в случае общего источника питания), для этого
приборы (предполагаемые источники помех) необходимо гальваниче-
ски развязать от общего источника питания или запитать от автоном-
ного источника питания либо установить сетевые фильтры по цепям
питания и снять спектральную характеристику сигнала на выходе
измерительного канала;

5)	после определения путей проникновения помехи в измеритель-
ный канал провести соответствующие мероприятия по их устранению,
изложенные в [34, 35].
Контрольные вопросы к главе 4

1.	Какие физические величины (поля) могут вызвать помехи в ИИС?

2.	Какие типы электромагнитных помех присущи ИИС?

3.	Укажите, какие из перечисленных ниже электронных компонентов ИИС
являются источниками теплового, дробового, контактного и импульсного
шумов:

а)	усилительный элемент (электронная лампа, транзистор, микросхема);

б)	диод;

в)	резистор;

г)	конденсатор;

д)	индуктивность;

е)	контактный переключатель;

ж)	электромагнитное реле;

з)	твердотельное реле.

4.	Какой вид имеет СПМ теплового, дробового, контактного и импульсного
шумов?

5.	Верно ли утверждение, что следующие электронные компоненты с ростом
частоты электрического сигнала проходящего по ним изменяют свои
характеристики:

а)	конденсатор становится колебательным контуром;

б)	резистор становится индуктивностью;

в)	индуктивность становится высокоомным резистором;

г)	входное сопротивление усилительных элементов уменьшается.

6.	Почему у ИИС используемых на объектах, где имеются высокочастотные
устройства уменьшается уровень помехозащищенности?

7.	Какие виды заземления существуют в электрических системах и в чем их
отличия?

8.	Общая шина какого источника питания, конструкции, объекта принима-
ется за аналоговую (измерительную), цифровую, корпусную и системную
земли?

9.	Какие схемы подключения измерительного прибора к источнику сигнала
применяются на практике? Что является определяющим фактором при
выборе конкретной схемы подключения?

10.	По какой схеме выполняется заземление приборов и устройств, входящих
в состав ИИС, если известно, что:

а)	потребляемая мощность каждого прибора и устройства не превышает
200 Вт, а частотный диапазон ИИС не более 1 МГц;

б)	мощность потребления приборов и устройств лежит в диапазоне
0.1-НО кВт, частотный диапазон не превышает 1 МГц;

в)	мощность потребления приборов и устройств лежит в диапазоне
0,1-Н кВт, частотный диапазон ИИС более 5 МГц.

11	Монитор с ЭЛТ является источником: а) рентгеновского излучения; б) ульт-
рафиолетового излучения; в) излучения СВЧ; г) электростатического поля.

12.	Как осуществляется на практике защита и безопасность пользователя, при
использовании монитора с ЭЛТ, от воздействия на него вредных Фактогов?
Глава пятая

РАЗРАБОТКА ПРИКЛАДНОГО ПРОГРАММНОГО
ОБЕСПЕЧЕНИЯ ИИС В СРЕДЕ ЬАВШЕМ

5.1.	Общие сведения о средствах разработки
программного обеспечения

Современные средства разработки прикладного программного
обеспечения предоставляют широкий выбор инструментов как для
опытных программистов, так и для не искушенных в программирова-
нии пользователей Эти средства позволяют создавать пользователь-
ские программы непосредственно на стандартных языках програм-
мирования, например С/С++, Вазю, а также с помощью специальных
библиотек, являющихся основой ряда инструментальных програм-
мных средств. Пакеты для разработки прикладного программирова-
ния для систем автоматизации по своему основному назначению раз-
деляются на две основные группы:

пакеты программ ЕаЬУ1Е\У, Меазпгетеп! 81исйо, ЬаЫУтболуз/
СУ1, А§11еп1 УЕЕ и т.п. ориентированы в основном на использование
в системах автоматизации лабораторного эксперимента и испытаний,
хотя могут применяться и при создании других приложений, не свя-
занных со взаимодействием с измерительно-управляющим оборудо-
ванием;

пакеты ЕаЬУ1Е\\7О8С, ЬоокоиЕ 1пТоис11, «Трейс Моуд» предна-
значены для создания прикладного программного обеспечения в
автоматизированных системах управления технологическими про-
цессами (АСУТП) и промышленной автоматики (системы 8САЭА-
8ирегу18огу Соп1го1 Апс! Па1а Ас^и^8^1^оп).

По способу программирования эти пакеты делятся на следующие:

текстовые или текстово-графические (Разса!, Пе1рЫ, ЬаЪХУтбохуз/
СУ1, МеазигетепГ ЗДидю, У18иа1 Вазю, У18иа1 С/С++), использующие
элементы визуального текстового программирования для создания
пользовательского интерфейса приложения и ориентированные, в
первую очередь, на опытных программистов;

графические объектно-ориентированные (ТпТоисЬ, «Трейс
Моуд»), основанные на применении графических образов объектов
АСУТП в качестве элементов программирования;

графические функционально-ориентированные (ЬаЪУ1Е\У,
ЬаЬУ1Е\У/Т)8С, Ащ1еп1 УЕЕ), использующие функционально-логиче-
ский принцип конструирования (рисования) и графического пред-
ставления алгоритмов программ.

Графические пакеты легко осваиваются не только программис-
тами-профессионалами, но и пользователями, не имеющими опыта
программирования. С одной стороны, современные графические сис-
темы позволяют создавать программы, практически не уступающие
по эффективности программам, написанным в текстовых пакетах.
С другой стороны, в большинстве случаев графические программы
более наглядны, легче модифицируются и отлаживаются, быстрее
разрабатываются. Несомненным достоинством графических систем
программирования является то, что разработчиком приложения
может быть сам постановщик задачи — инженер, технолог.

ЬаЬУ1Е\У (ГаЬога1огу \чг1иа1 1п81гишеп1 Епщпеепп§ АУогкЬепсЬ)
позволяет разрабатывать прикладное программное обеспечение для
организации взаимодействия с измерительной и управляющей аппа-
ратурой, сбора, обработки и отображения информации и результатов
расчетов, а также моделирования как отдельных объектов, так и авто-
матизированных систем в целом. Разработчиком ЬаЬУ1Е\У является
американская компания Кайола! 1п81тшпеп1:8 [37].

В отличие от текстовых языков, таких как С, Разса! и др., где про-
граммы составляются в виде строк текста, в ЕаЬУ1Е\У программы
создаются в виде графических диаграмм, подобных обычным блок-
схемам. Иногда можно создать приложение, вообще не прикасаясь
к клавиатуре компьютера.

ЬаЪУ1Е\У является открытой системой программирования и имеет
встроенную поддержку всех применяемых в настоящее время про-
граммных интерфейсов, таких как \Ут32 ВЬЬ, СОМ, .КЕТ, ЭВЕ,
сетевых протоколов на базе 1Р, Ва1а$оске1 и др. В состав ЬаЬУТЕХУ
входят библиотеки управления различными аппаратными средствами
и интерфейсами, такими как РС1, Сотрас1РС1/РХ1, УМЕ, УХ1, 6Р1В
(КОП), РЬС, У18А, системами технического зрения и др. Програм-
мные продукты, созданные с использованием ЬаЬУ 1Е\У, могут быть
дополнены фрагментами, разработанными на традиционных языках
программирования, например С/С++, Ра8са1, Вазю, ЕОКТКАК.
И наоборот, можно использовать модули, разработанные в ЬаЪУ1Е\У
в проектах, создаваемых в других системах программирования.
Таким образом, ЬаЬУ1Е\У позволяет разрабатывать практически
любые приложения, взаимодействующие с любыми видами аппарат-
ных средств, поддерживаемых операционной системой компьютера.
Используя технологию виртуальных приборов, разработчик может
превратить стандартный персональный компьютер и набор произ-
вольного контрольно-измерительного оборудования в многофункци-
ональный измерительно-вычислительный комплекс.

Несомненным достоинством ЬаЬУ1ЕХУ является то, что разработ-
чику и пользователю доступны функционально идентичные системы
программирования для различных операционных систем, таких как
М1СГО8ОЙ ДУшс1о\У8 95/98/ЫТ/2000/ХР, Ьтих, МасО8. Например, про-
грамма, разработанная под \У1п6олу8, будет почти без изменений
работать на компьютере с Ьтих1.

При установке соответствующих дополнительных модулей можно
использовать ЬаЬУ1Е\У как среду разработки программ для различ-
ных целевых систем и операционных систем (ОС):

систем на базе ОС реального времени (ОСРВ) ЬаЬУ1Е\У-КТ;

карманных компьютеров и других устройств на базе ОС
пс1оу\8С Е/Роске1 РС;

карманных компьютеров и других устройств на базе ОС Ра1тО8;

многофункциональных программируемых устройств, например
ГРОА;

сигнальных процессоров (П8Р).

В основе технологии использования ЬаЬУ1Е\У лежит комбиниро-
ванное моделирование систем на ЭВМ, включающее аналитическое,
имитационное и натурное.

Для аналитического моделирования характерно то, что алгоритм
функционирования системы записывается в виде некоторых аналити-
ческих соотношений (алгебраических, интегродифференциальных,
конечно-разностных и т.п.) или логических условий.

При имитационном моделировании алгоритм функционирования
системы воспроизводится во времени с сохранением логической
структуры и последовательности протекания элементарных явлений,
составляющих процесс. В настоящее время имитационное моделиро-
вание — наиболее эффективный метод исследования систем, а часто
и единственный практически доступный метод получения информа-
ции о поведении системы, особенно на этапе ее проектирования.

Натурным моделированием называют проведение исследования
на реальном объекте с возможностью вмешательства человека в про-
цесс проведения эксперимента и последующей обработки результа-
тов эксперимента на вычислительной технике.

1 В случае использования ряда специфических особенностей различных ОС может
потребоваться некоторая модификация исходного кода.
Отличие модельного эксперимента от реального заключается в
том, что в модельном эксперименте могут быть реализованы любые
ситуации, в том числе «невозможные» и аварийные, что в силу раз-
ных причин бывает недопустимо при работе с реальными объектами.
Все представленные виды моделирования могут быть реализованы с
использованием системы программирования ЬаЪУ1Е\У. ЬаЬУ1Е\У
может успешно применяться в образовательных и научных целях,
при промышленной автоматизации, в проектных и коммерческих
структурах, связанных с тестированием и измерением каких-либо
параметров, их анализом, визуализацией результатов, созданием баз
данных, использованием компьютерных сетей.

Система ЬаЪУ1Е\У включает в себя:

ядро, обеспечивающее работоспособность программных процес-
сов, разделение аппаратных ресурсов между процессами;

компилятор графического языка программирования О;

интегрированную графическую среду разработки, выполнения и
отладки программ;

набор библиотек элементов программирования в ЬаЬУ1ЕХУ, в том
числе библиотеки графических элементов пользовательского интер-
фейса, библиотеки функций и подпрограмм, библиотеки драйверов,
библиотеки программ для организации взаимодействия с измери-
тельно-управляющими аппаратными средствами и т.п.;

развитую справочную систему;

обширный набор программ-примеров с возможностью как тема-
тического, так и алфавитного поиска.

Программирование в системе ЬаЪУ1Е\У максимально приближено
к понятию алгоритма. После того, как вы продумаете алгоритм
работы своей будущей программы, вам останется лишь нарисовать
блок-схему этого алгоритма с использованием графического языка
программирования О. Вам не потребуется думать о ячейках памяти,
адресах, портах ввода-вывода, прерываниях и иных атрибутах сис-
темного программирования. Данные будут передаваться от блока к
блоку по «проводам», обрабатываться, отображаться, сохраняться в
соответствии с вашим алгоритмом. Мало того, сам поток данных
будет управлять ходом выполнения вашей программы. Ядро
ЬаЬУ1Е\У может автоматически использовать эффективные совре-
менные вычислительные возможности, такие как многозадачность,
многопоточность и т.п.

Процесс программирования в ЬаЪУ1Е\У похож на сборку какой-
либо модели из конструктора. Программист формирует пользова-
шльский интерфейс программы — мышкой выбирает из наглядных
налитр-меню нужные элементы (кнопки, регуляторы, графики) и
помещает их на рабочее поле программы. Аналогично «рисуется»
алюритм — из палитр-меню выбираются нужные подпрограммы,
функции, конструкции программирования (циклы, условные кон-
струкции и проч.). Затем также мышкой устанавливаются связи
между элементами — создаются виртуальные провода, по которым
донные будут следовать от источника к приемнику Если при про-
граммировании случайно будет сделана ошибка, например какой-то
провод будет подключен «не туда», то в большинстве случаев
1,аЬУ1Е\У сразу обратит на это внимание программиста. После того,
как алгоритм — блок-схема — нарисован, программа готова к работе.

Помимо библиотек, входящих в состав комплекта поставки сис-
темы ЕаЬУТЕХУ, существует множество дополнительно разработан-
ных программ. Многие из них свободно доступны через 1п1егпе1.
Собственные разработки пользователей, накопленные в процессе
работы, могут размещаться в новых библиотеках и многократно
использоваться в дальнейшем.

Система программирования ЬаЬУ1Е\У имеет встроенный меха-
низм отладки приложений. В процессе отладки разработчик может
назначать точки останова программы, выполнять программу «по
шагам», визуализировать процесс исполнения программы и контро-
лировать любые данные в любом месте программы.

Система ЕаЬУ1Е\У позволяет защитить программы от несанкцио-
нированного изменения или просмотра их исходного кода. При этом
разработчик может либо использовать пароли на доступ к приложе-
ниям, либо вовсе удалить исходный код из работающего приложения.

К сожалению, на момент написания данного пособия не сущест-
вует локализованной «русской» версии системы программирования
ЬаЬУ1Е\У. Поэтому сейчас для эффективного использования
ЕаЬУ1Е\У разработчику понадобится знание основ технического
иностранного языка. В то же время в создаваемых программах разра-
ботчик может использовать национальный алфавит без ограничений.
Российское представительство Кайопа! 1п81гшпеп18 вместе с много-
численными пользователями ведет активную работу, целью которой
является выпуск компанией Кайопа! 1п81гитсп18 локализованной рус-
скоязычной версии ЕаЬУ1ЕАУ.
5.2.	Виртуальные приборы (VI — Уи!иа11п81гитеп1)2

Традиционные измерительные приборы не позволяют изменять
их функциональные возможности, поэтому приходится закупать все
приборы, которые необходимы для изучения какого-либо объекта.
Технология виртуальных приборов позволяет превратить обычный
персональный компьютер в устройство с произвольной функцио-
нальностью. Компьютер с подключенными к нему многофункцио-
нальными платами может быть и мощной расчетной машиной, и
осциллографом, и вольтметром, и коммутатором сигналов, и частото-
мером, и системой управления технологическим процессом и т.п.
Состав библиотек системы ЬаЪУ1Е\Х^ позволяет в короткие сроки
создавать необходимые инструменты для различных этапов исследо-
ваний, начиная от элементарных приборов и заканчивая управляю-
щими, информационно-поисковыми и аналитическими системами.
Это дает основание говорить о принципиальных изменениях, кото-
рые вносит технология ЕаЬУ1Е\У в создание прикладного програм-
много обеспечения, поскольку эта система позволяет реализовать
произвольный набор методов измерения, анализа, отображения и
управления в автоматизированных системах различного профиля на
базе обычного персонального компьютера [38].

Любая программа, созданная в системе ЕаЬУ1ЕУ/, называется
виртуальным прибором (ВП) или виртуальным инструментом
(ВИ — дословный перевод с английского языка: VI — У1гШа1
1п81гитеп1). Компонентами, составляющими ВП, являются передняя
панель, блок-диаграмма и пиктограмма/коннектор. Передняя панель
реализует пользовательский интерфейс с ВП, позволяет задавать
исходные данные и отображать результаты работы ВП. Блок-диа-
грамма является аналогом традиционной программы и реализует фун-
кциональные возможности ВП. Пиктограмма/коннектор позволяет
использовать ВП в качестве подпрограммы (8иЬУ1, виртуальный «под-
прибор») при построении модульных иерархических программ.

Только самые простые приложения разрабатываются в БаЬУ1Е\У
как один единственный ВП. Серьезные приложения представляют
собой иерархию ВП (иногда более тысячи ВП). Такое иерархическое
приложение можно разрабатывать методом «сверху вниз», когда
исходная сложная, большая задача разбивается на несколько меньших
подзадач. Те, в свою очередь, тоже разбиваются на подзадачи и т.д.

2 В скобках даются обозначения элементов на английском языке, принятые в ЬаЬ-
У1ЕУ/.
В конце концов, при таком «дроблении» у разработчика будет набор
элементарных задач, которые можно последовательно программиро-
вать, отлаживать и создавать из них основное приложение — ВП верх-
него уровня. Чем подробнее продумана структура программы, чем
лучше описана спецификация исходных данных и результатов
работы, тем быстрее приложение будет создано, отлажено и внед-
рено.

Важно отметить, что система ЬаЪУТЕАУ имеет возможность
существенно облегчить разработку таких сложных приложений
целым коллективом программистов, когда каждый программист реа-
лизует свою подзадачу. При этом ЕаЪУ1Е\У обеспечивает коррект-
ность и актуальность версий различных ВП, отслеживает изменения
исходного кода ВП, облегчает отладку ВП.

Передняя панель (Егоп1 Рапе!) — это интерактивный интерфейс
пользователя. Именно с передней панелью будет работать пользова-
тель программы, поэтому она должна быть удобной, информативной
и эргономичной.

На рис. 5.1, а показана передняя панель двухканального виртуаль-
ного осциллографа. На самом деле самостоятельного прибора —
осциллографа — нет. В данном случае используются встраиваемая в
персональный компьютер многофункциональная измерительная
плата и ЬаЬУТЕАУ, превращающие компьютер в виртуальный осцил-
лограф. Система ЕаЬУТЕХУ предоставляет возможность исследова-
телю работать с тем оборудованием, к которому он привык, даже
если аппаратная реализация совсем иная.

На рис. 5.1, б изображена передняя панель ВП системы монито-
ринга и управления ветроэлектростанцией (Чукотка, г. Анадырь, раз-
работка АОЗТ ЦАТИ), на ней отображаются необходимые пара-
метры, полностью характеризующие работу объекта. Из основного
меню ВП можно вызывать и другие панели для более детального
мониторинга или управления станцией.

Передняя панель может содержать необходимые кнопки, тумб-
леры, регуляторы числовых значений, графики, лампы, внедренные
объекты Ас11усХ (Ехсе1, \Уогс1 и др.) и т.п. Большинство элементов
передней панели могут работать в одном из двух режимов — регуля-
тор (Соп1го1) или индикатор (1псйса1ог). Регуляторы позволяют поль-
зователю задать исходные данные для ВП, а индикаторы отображают
результаты работы. При помещении объекта на экран передней
панели ВП ЬаЬУТЕХУ определяет режим работы, исходя из здравого
смысла. Так, например, тумблер будет по умолчанию работать в
режиме «регулятор», а термометр — в режиме «индикатор». С помо-
а)

б)

Рис. 5.1. Передние панели виртуальных инструментов:

а — передняя панель виртуального осциллографа; б — передняя панель системы монито-
ринга и управления ветроэлектростанцией

щью меню свойств объекта, вызываемого щелчком правой кнопки
мыши, разработчик ВП может переключать режим работы, а также
устанавливать иные свойства объекта3

3 Для разных объектов внешний вид всплывающих меню может отличаться
Рис. 5.2. Передняя панель ВП генерации и отображения случайного числа (показаны
некоторые палитры-меню, используемые при разработке передней панели ВП)

На рис. 5.2 показана передняя панель ВП, который циклически, от
момента запуска до нажатия на кнопку «Стоп», генерирует случай-
ное число от 0 до значения «Диапазон», отображает результат на гра-
фике и стрелочном индикаторе. В нижней части рис. 5 2 показаны
некоторые палитры-меню, содержащие элементы пользовательского
интерфейса: логические данные, числовые данные, графики. Эти
палитры использовались программистом при разработке передней
панели ВП4.

Функциональные возможности ВП определяются его блок-диа-
граммой, которая является графической реализацией алгоритма.

4 В зависимости от настроек ЬаЬУШХУ эти палитры-меню могут автоматически
отображаться при старте ЬаЬУТЕУ/ или быть скрыты.
Рис. 5.3. Блок-диаграмма ВП генерации и отображения случайного числа

На рис. 5.3 изображена блок-диаграмма ВП генерации и отобра-
жения случайного числа, а также представлены некоторые палитры-
меню элементов для построения блок-диаграмм (арифметика, булевы
операции, базовая математическая обработка данных).

Блок-диаграмма состоит из терминалов, узлов, проводов и кон-
стант, а также может содержать необходимые текстовые или графи-
ческие комментарии. Блок-диаграмма любого ВП может быть произ-
вольного размера и сложности. Однако считается, что если блок-
диаграмма не умещается на одном-двух экранах монитора при удоб-
ном для программиста разрешении графической системы, то либо
алгоритм ВП недостаточно продуман, либо отдельные части кода
такого ВП можно оформить как подпрограммы.

Терминал (Тегпйпа1). Каждому элементу передней панели соот-
ветствует один терминал на блок-диаграмме. Терминалы создаются
системой ЬаЬУ1Е\У на блок-диаграмме автоматически, как только
какой-либо элемент создается программистом на передней панели.
В зависимости от настроек ЬаЬХЧЕЛУ терминалы отображаются либо
как пиктограммы, соответствующие элементам передней панели,
либо как цветные прямоугольники разного вида.

Цвет и внешний вид терминала соответствует сопоставленному
типу данных, а название (ЬаЬе!) терминала — названию элемента
Рис. 5.4. Передняя панель ВП с различными регуляторами и индикаторами и соот-
ветствующая блок-диаграмма5

передней панели (рис. 5.4). Контекстное меню (правая кнопка мыши)
позволяет быстро найти элемент передней панели, соответствующий
выбранному терминалу.

Терминал регулятора позволяет считать данные с передней
панели и передать их в программу для дальнейшей обработки; он
имеет рамку в виде толстой линии и маленькую стрелку справа,
показывающую, что данные «выходят из терминала» в блок-диа-
грамму. Терминал индикатора позволяет отобразить результаты
работы ВП на лицевой панели; он имеет тонкую рамку и стрелку
слева — данные поступают из блок-диаграммы на терминал.

Узел (Уос1е) — это аналог понятия «оператор» в текстовом языке
программирования. Узлы — все то, что выполняется во время работы
ВП: встроенные функции ЬаЬУ1Е\У, подпрограммы (виртуальные
«подприборы», 8иЬ\Т). Узлы бывают простые (операторы г = х + у;
а = сов (Ь)) и сложные (конструкции программирования, такие как
условия (операторы 1Г, 8\уйс11, сазе о€), циклы (операторы Гог, бо-
\\1и1с) и т.п.). Сложные узлы рассматриваются ниже в разделе Кон-
струкции программирования ЬаЬУ1ЕУУ. На рис. 5.4 изображены пять
простых узлов — расчет косинуса, сложение двух величин, модуль,
квадратный корень и логическое отрицание.

5 Изображены также некоторые узлы и провода, рассматриваемые ниже.
Провод (ИЧге) — это разноцветные линии на блок-диаграмме,
определяющие передачу данных от ист очника к приемнику во время
работы ВП. На рис. 5.4 данные следуют от терминала «Веществен-
ное число двойной точности, регулятор» к узлу «косинус», от узла
«модуль» к узлу «квадратный корень», от узла «сумма» к терминалу
«Комплексное число, индикатор». Цвет и внешний вид провода соот-
ветствует типу данных, передаваемых по проводу (рис. 5.5).

У любого провода должен быть единственный источник данных и
могут быть несколько приемников. Провод всегда должен быть при-
соединен к требуемому контакту коннектора узла или к терминалу,
или к константе, или к другому проводу. В месте присоединения
одного провода к другому отображается точка (если включен этот
режим в меню настроек ЬаЬУГЕАУ, меню Тоо1з » Орбопз, вкладка
В1оск П1а§гат, пункт «8Но\у с!о1^ а! \упс щпсйоп»). Провод может
иметь неограниченное число точек поворота, может быть любой
длины — эффективность выполнения программы от этого не зависит.
Однако программист должен стараться располагать терминалы, узлы
и провода так, чтобы блок-диаграмма была наглядной, простой и кра-
сивой Только красиво нарисованная программа будет надежно рабо-
тать, развиваться и модернизироваться!

Рис. 5.5. Провода, расположенные «правильно» и «неправильно»
Пиктограмма/коннектор (1соп/Соппес1ог) — компактное гра-
фическое изображение узла. Обычно при создании блок-диа-
граммы все узлы изображаются в виде пиктограмм.

Коннектор — определенная конфигурация контактов, позволяю-
щих передать узлу исходные данные и получить результаты его
работы. Коннектор узла можно отобразить с помощью всплываю-
щего меню свойств узла. На рис. 5.6 представлена блок-диаграмма
ВП для расчета коэффициентов полинома, аппроксимирующего дан-
ные «массив X» : «массив У» по методу наименьших квадратов.

Используется готовая подпрограмма, входящая в дистрибутив
ЬаЬХЧЕЛУ. В верхней части блок-диаграммы эта же подпрограмма
изображена в виде коннектора.

При подключении проводов к контактам коннектора ЬаЪУЧЕАУ
проводит проверку типов данных, а также подсказывает програм-
мисту, к какому именно контакту подключается провод. Поэтому
практически невозможно ошибиться с подключением проводов к
узлу, программисты редко используют просмотр коннектора.

Для всех виртуальных приборов, которые могут использоваться
как подпрограммы (8иЬУ1)6, следует нарисовать пиктограмму и раз-
работать коннектор. Для задания всех исходных данных и получения

Рис. 5.6. Пиктограмма и коннектор узла

6 Для виртуальных приборов верхнего уровня нет необходимости в подготовке пикто-
граммы и коннектора, однако авторы рекомендуют сделать это — «делай хорошо—плохо
само получится!».
результатов работы ВП используются регуляторы и индикаторы на
передней панели. Именно эти регуляторы и индикаторы можно поста-
вить в соответствии нужным контактам коннектора. Для разработки
пиктограммы и коннектора используется всплывающее меню,
доступное по правой кнопке мыши на квадратном элементе «пикто-
грамма/коннектор» в правом верхнем углу окна передней панели.
Из меню можно запустить графический редактор для создания пик-
тограммы, а также проводить необходимые манипуляции с коннекто-
ром (выбирать шаблон коннектора, поворачивать его и т.п.). Кон-
такты коннектора ставятся в соответствии элементам передней
панели с помощью инструмента «катушка с проводами».

Документирование ВП. Графический язык программирования
«О», используемый в ЕаЬУ1Е\У, весьма нагляден, программа похожа
на традиционную блок-схему алгоритма. Система ЕаЬУ1Е\У позво-
ляет разработчику ВП делать любые текстовые пояснения на перед-
ней панели или блок-диаграмме (рис. 5.7).

Используя позицию меню ЕИе » VI Ргорегбе» и вкладку Воси-
теЩаПоп, возможно записывать основную справочную информацию
о виртуальном приборе в текстовый файл. Кроме того, из всплываю-
щего меню можно указать поясняющую информацию для любого
элемента передней панели. Все эти пояснения и комментарии будут
восприняты встроенной справочной системой ЕаЬУ1Е\У. Они будут
отображаться в окне контекстно-чувствительной справки ЬаЪУХЕУУ
точно так же, как и при использовании стандартных ВП, входящих в
дистрибутив ЕаЬУ1Е\\ (рис. 5.7). Кроме того, йаЬУТЕАУ сможет авто-

Рис. 5.7. Использование подпрограммы расчета IV!, отображение справочной инфор-
мации о подпрограмме
матически сгенерировать документацию на ВП с описанием самого
виртуального прибора и всех входных и выходных параметров.

Хорошие подробные комментарии позволят облегчить и сущест-
венно сократить сроки, требуемые для модернизации программного
обеспечения.

Порядок выполнения ВП, технология Ва1а]1оук. Русские пишут
слева направо. Арабы пишут справа налево. Древнеегипетские жрецы
писали слева направо, справа налево и сверху вниз, при этом направ-
ление письма и соответственно чтения определялось тем, в какую
сторону повернуты головы животных и людей. Текстовая программа
выполняется в порядке следования операторов и в соответствии с
тем, что определяют операторы типа ^оЮ. Порядок выполнения про-
граммы определяется в процессе ее кодирования. А как выполняется
программа в ЬаЪУ1Е\У?

Основной технологией, определяющей выполнение виртуального
прибора ЬаЬУТЕАУ, является технология Г)а1аГ1ои, в соответствии с
которой порядок выполнения программы определяет готовность
потоков данных, проходящих от одного узла к другому. Общие пра-
вила таковы:

1)	ни один узел не может выполниться до тех пор, пока на все кон-
такты его коннектора, к которым подключены провода, не поступят
данные;

2)	если данные поступают на несколько узлов «одновременно», то
и выполняются эти узлы «одновременно».

Разумеется, в случае однопроцессорного компьютера, несколько
действий действительно одновременно выполняться не могут. Поэтому
более широкая трактовка второго правила такова:

если данные поступают на несколько узлов «одновременно»,
то порядок выполнения этих узлов не определен!

В большинстве случаев при обработке данных технология
[Эа^аЛоу/ автоматически приводит к корректной последовательности
выполнения узлов. Однако иногда требуется вполне определенный
порядок действий, который нужно реализовать в момент кодирова-
ния программы.

Для примера рассмотрим задачу измерения величины напряжения
постоянного тока цифровым вольтметром.

Предположим, что вольтметр подключен к компьютеру по при-
борному интерфейсу КОП (Канал Общего Пользования, другие
названия — ОР1В, НР-1В, 1ЕЕЕ-488). Пусть на вольтметре установ-
лен адрес КОП, равный 22, пусть команда, которую нужно передать
на вольтметр для измерения напряжения постоянного тока, — строка
«МЕА8:УОЬТ? 1)С»7. Пусть после измерения прибор выдает резуль-
тат в виде строки, в которой содержится результат измерения, напри-
мер «+1.2345Е+00». Пусть длина этой строки не превышает 20 сим-
волов. Тогда алгоритм работы программы может быть такой:

1)	передать на прибор с адресом 22 команду «МЕА8:УОЕТ? ПС»;

2)	считать с прибора с адресом 22 результат измерений в виде
строки, имеющей не более 20 символов;

3)	преобразовать данные из строки в число с плавающей точкой,
которое и является результатом измерений.

Рассмотрим два варианта реализации этого алгоритма на
ЕаЬУ1Е\У, изображенные на рис. 5.8, а и 6.

Не Йй Орегаи Тро!? УлгЛу НеЬ

у|н1
[адрес прибора

! Поучение данных | 3. Преобразование в чисто]

13рк Арр1кв!зси.,:см

1. Посылка команды] 
а""®'

I ^59

I !ЕЭй>|

[20

результат]

3





‘эсяэательно ли операция 2 будет выполняться после операции 1 ???|

Рис. 5.8. Два варианта реализации алгоритма измерения цифровым вольтметром:
а — первый вариант блок-диаграммы может работать неверно (узел 2 может выполниться
раньше узла 1); б — технология ГЭа(аГ1оу/ обеспечивает правильный порядок выполнения
узлов

7 Для разных вольтметроь эта команда будет разной. Например, в случае
отечественного вольтметра В7-34 соответствующая команда будет такой: «Р0К.7Т1М1Е».
Блок-диаграмма на рис. 5.8, а
может работать неверно, хотя, на
первый взгляд, она полностью соот-
ветствует алгоритму. Разработчик
программы может стать жертвой
привычки «писать слева направо».
Действительно, все исходные дан-
ные, необходимые для выполнения
узлов 1 и 2 (Посылка команды и
Получение данных), а именно:
адрес прибора, команда и количе-
ство байт для получения с вольт-
метра готовы одновременно —
заданы в виде соответствующих

Рис. 5.9. Все узлы выполняются «одно-
временно»

констант. Таким образом, порядок
выполнения этих узлов не опреде-
лен — возможно ВП выполнится
правильно, а может быть и нет! На

блок-диаграмме на рис. 5.8, б есть провод, по которому узел 1
«Посылка команды» передает узлу 2 «Получение данных» информа-
цию о коде ошибки (еггог оШ-еггог т). В соответствии с правилами
ПаТаПои выполнение виртуального прибора всегда будет проходить
корректно, в нужной последовательности! На рис. 5.9 приведена
блок-диаграмма другого ВП, где порядок выполнения узлов не

важен, можно считать, что все три узла выполняются одновременно.

В случае невозможности или нежелательности «проводного»
определения порядка выполнения ВП применяется конструкция про-
граммирования последовательность (Бедиепсе), которая будет рас-

смотрена ниже.

5.3.	Типы данных в 1аЬ\ЛЕМУ

В ЬаЪУ1Е\У используются разнообразные типы данных. Некото-
рые типы данных соответствуют обычным текстовым системам про-
граммирования (целое число, логические данные, строка и пр.). Дру-
гие типы данных реализованы только в ЬаЬУ1ЕУ/ и предназначены
для более надежной и удобной работы в составе автоматизированной
системы научных исследований. ЕаЬУ1Е\У работает с такими типами
данных, как осциллограмма (ХУауеГопп), сигнал (81§па1), ресурс
У18А, измерительный или управляющий канал и т.п. Цветом и внеш-
ним видом терминалов и проводов ЬаЪУТЕЛУ подсказывает разработ-
чику ВП, как и какие данные обрабатываются блок-диаграммой, поэ-
тому работа со всем многообразием типов данных в ЕаЪУ1Е\У весьма
удобна.

Полиморфизм — исключительно удобное свойство многих функ-
ций ЬаЪУ1Е\У, позволяющее проводить различные операции с дан-
ными разных типов с помощью одних и тех же функций. Например,
функция «сложение» может сложить два произвольных числа, она же
может сложить поэлементно два массива, она же может прибавить к
каждому элементу массива какое-либо число. Таким образом, поли-
морфные функции автоматически могут подстроиться к исходным
данным, производя различные действия и получая различные резуль-
таты. Приведем пример одной и той же программы на С и на
ЕаЪУ1Е\У (рис. 5.10). Эта программа прибавляет число 123 ко всем
элементам одномерного массива

►
►
►

Ре$спрНоп зпд Т|р,

УЫЫе Кет?

ЕЫ Тегггапа!

СНапде ко 1ги$саког

Рака Рапде...

Еогтак & Ргеб-лоп..,

Рис. 5.10. Использование свойства полиморфизма функции «сумма»

РгореЩез

Сгеаке

Рер1асе
Рака ОрегаИоп$
Адуапсед

ВВС

8С1

132

1132

СХТ

СРВ

С5С

ЕХТ

116

15 0

те

15 О




’\7О1с1 зиш_аггау ^о!с1) {

хпС 1, а [5] = {1, 2, 3, 4, 5};

Гог (1=0;	1 < 5;	1 = 1 + 1)а[1] = а[1] + 123;

}.

Простые скалярные типы данных. К числу простых скалярных
типов данных относятся:

вещественные числа (оранжевые терминалы и провода) повышен-
ной точности, двойной точности, одинарной точности — в ЬаЬУ1Е\У
обозначаются соответственно ЕХТ, ИВЬ, 8ОЬ;

целые числа со знаком (синие терминалы и провода) 32-, 16- и 8-раз-
рядные — соответственно 132,116,18;

неотрицательные целые числа без знака (синие терминалы и про-
вода) 32- , 16- и 8-разрядные — соответственно И32,1Л6, И8;

комплексные числа (оранжевые терминалы и провода) повышен-
ной точности, двойной точности, одинарной точности — соответ-
ственно СХТ, СВВ, С8С;

логические данные (зеленые терминалы и провода) имеют одно из
двух возможных значений — Тгие/Еа18е;

строковые данные (розовые терминалы и провода)8.

На рис. 5.11 изображено всплывающее меню свойств числового
регулятора. Из этого меню можно выбрать нужный тип данных.

Рис. 5.11. Типы числовых данных, всплывающее меню свойств элемента передней
панели (правая кнопка мыши)

8 Строковые данные всегда розовые, но некоторые другие типы данных также могут
использовать розовый цвет, например кластеры, содержащие данные определенных типов.
Массив (аггау). Массив — пронумерованный, непрерывный,
неограниченный набор однотипных данных. Формально ограничение
одно — индекс (номер) элемента массива — 32-битное число, поэ-
тому в каждом массиве может быть не более 232 элементов, что на
практике равносильно понятию «неограниченный». Каждый элемент
массива имеет набор индексов, соответствующий размерности мас-
сива: одномерный —-1 индекс, двумерный — 2 индекса и т.д.

Графически массив выглядит как прямоугольная область, через
которую можно просматривать элементы массива. Рядом с левым
верхним углом этой области отображаются индексы. Значения этих
индексов соответствуют элементу массива, показанному в левом верх-
нем углу. Одномерный массив (вектор) — строка или столбец. Дву-
мерный массив (матрица, таблица) — таблица из нескольких строк и
нескольких столбцов. Массивы больших размерностей на плоскости
экрана монитора отобразить невозможно, поэтому они выглядят как
таблицы, представляющие собой срез по определенным индексам.
Пример работы с массивом представлен на рис. 5.12.

Массив может содержать данные произвольного типа. Например,
может быть массив тумблеров (дискретные регуляторы), или массив
целых чисел, или массив кластеров. Для изменения размерности мас-
сива можно использовать всплывающее меню свойств индекса(ов)
массива.

В ЬаЫЧЕУУ элементы массива нумеруются по строкам от
нуля. Таким образом, элемент двумерного массива с индексами [2; 4]
находится в третьей строке и пятом столбце. Массив — всегда непре-
рывный набор данных, без пропусков. Это значит, что если в массиве
есть элемент с индексом любой размерности «М», то есть и все эле-
менты с индексами «/» этой размерности, такими, что «О < / < М».
Массив, не содержащий ни одного элемента, называется пустым.

Очень важно отметить, что графическое отображение массива не
дает информации о том, сколько элементов содержит массив, т.е.
сколько элементов определено. Прямоугольная область, отображаю-
щая массив, является лишь «просмотровым окном». Подходящий
образный пример — бездонный вещмешок или рюкзак с одинако-
выми предметами внутри. Мы можем, ослабив тесемки горловины
сделать просмотровое окно шире или, затянув тесемки, сделать
область просмотра уже. Мы можем перемещать горловину мешка
влево и вправо, рассматривая нужные предметы.

Все элементы массива имеют один и тот же тип данных, причем в
широком смысле. Это значит, что одинаковы как и собственно типы
данных, так и их графическое изображение, цвета, размеры графи,
ческих образов каждого элемента
Рис. 5.12. Определение размера массива, получение значения нужного элемента,
получение нужной части многомерного массива, транспонирование двумерного мас-
сива, замена элемента массива
В палитре функций есть все необходимые средства для работы с
массивами, например определение количества элементов в массиве,
получение элемента по индексу (индексам), сортировка массива, уда-
ление элементов или изменение значений элементов массива. Боль-
шинство функций для работы с массивами являются полиморфными
(см. ниже) и автоматически подстраиваются под конкретный вариант
массива и требуемую задачу. Обратите внимание на разные способы
использования и результаты работы «одной и той же» полиморфной
функции 1п<1ех Аггау.

Кластер (с1и$1ег). Кластер — конечный набор данных различных
типов. Этот тип данных соответствует типам 81гис1 в С/С++ или
гесогс! в Ра§са1. Графически кластер выглядит как прямоугольная
область, внутри которой находятся разнотипные данные. Образный
пример кластера — плащ с разными карманами. В одном кармане
монетка, в другом — связка ключей, в третьем — бумажник, в чет-
вертом — телефон. Как правило, все элементы кластера имеют отли-
чительные названия — имена (ЬаЬе1).

Для работы с кластерами в ГаЬХЭЕАУ есть соответствующая
палитра функций. Функции позволяют разобрать кластер на отде-
льные элементы (ЛпЬшкИе, ЫпЬипсПе Ьу паше) или собрать различ-
ные данные в кластер (ВипШе, ВипсПс Ьу пате). При этом в случае
сборки одного кластера можно использовать «наследование» типов и
значений данных из другого кластера. Это позволяет, во-первых,
избежать ошибок с несовпадением типов, во-вторых, изменить значе-
ния только требуемых составляющих кластера, унаследовав другие
(рис. 5.13).

Рис. 5.13. Пример работы с кластерами (разобрать кластер анкетных данных по эле-
ментам, собрать по имени новый кластер, унаследовав элементы и изменив только
«Имя» и «Год рождения», собрать кластер из двух математических констант)
Замечание! Обратите внимание, что в этом примере терминалы и
провода кластеров анкетных данных розовые, как и у строковых дан-
ных, хотя внешний вид терминалов и проводов отличается.

Приведенный ниже код на языке С описывает два разных несов-
местимых типа данных, поскольку элементы структур «а» и «Ъ» рас-
положены в разном порядке, хотя набор данных одинаков9:

зУпдсЬ {зУгисй {

1пР а; йоиЫе Ь;

йоиЫе Ь; 1П1: а;
сЬаг с; сИаг с;

} }

В ЬаЪУТЕУ/ также важен порядок следования элементов в клас-
тере. Графическое представление кластера может быть обманчиво,
поскольку порядок следования элементов в кластере определяется не
их взаимным расположением. Первоначально этот порядок соответ-
ствует порядку помещения различных данных внутрь кластера.
Впоследствии этот порядок может быть изменен через всплывающее
меню свойств объекта.

Другие типы данных. Наряду с традиционными типами данных,
рассмотренными ранее, ЕаЬУПЛУ поддерживает работу с рядом
типов данных, облегчающих работу в составе автоматизированных
систем научных исследований. В рамках данного пособия авторы не
имеют возможности подробно рассмотреть каждый тип. Мы ограни-
чимся краткой информацией о некоторых из них.

Осциллограмма (ХУауеГопп) используется для работы с измерен-
ными или программно генерированными данными в случае посто-
янства периода дискретизации. При этом тип данных «Осцилло-
грамма» включает в себя три компонента — 10 — время начала
осциллограммы; ей — период дискретизации; [у] — массив значений.
В ранних версиях ЕаЬУПЛУ такого типа данных не было, пользова-
тели создавали кластеры соответствующей структуры. Этот тип дан-
ных удобен при отображении на графиках (автоматическая настройка
оси абсцисс), для спектральной, корреляционной обработки данных,
цифровой фильтрации, получения фазовых или частотных характе-
ристик сигналов.

Сигнал (8щпа1) — дальнейшая по сравнению с осциллограммой
модификация типа данных для работы с измеренными или генериру-
емыми параметрами. Инкапсулирует названия параметров, режимы

9 В языке Разса! для определения аналогичного типа данных используется ключевое
слово гесогй.
измерений или генерации, может содержась в себе несколько
параметров10.

Сессия У18А (У18А зеззюп, У18А гезошсе пате) используется
при программировании внешних устройств в соответствии со стан-
дартом У18А. Драйверы большинства современных приборов и уст-
ройств разрабатываются в соответствии со спецификацией У18А и
технологией Р1п§&Р1ау. Наиболее близкий «родственник» из обыч
ных типов данных и в некоторых случаях заменитель — строка.

Измерительный или управляющий канал ВАР (ВАР СЬаппе!)
включает в себя настройки режимов измерения или управления
какого-либо канала многофункциональной измерительно-управляю-
щей платы Хайопа! 1пМгитсп15>, а также данные для первичной мате-
матической обработки.

Ссылка (геГпшп) — тип данных, аналогичный указателю (роЫег)
или дескриптору какого-либо объекта в языках текстового програм-
мирования. В ЬаЬУШАУ возможно использование различных объек-
тов и ссылок на них, например ссылка на объект-элемент пользова-
тельского интерфейса, ссылка на внедренный АсйгеХ объект, ссылка
на какой-либо виртуальный прибор и т.п. Использование ссылок позво-
ляет реализовать богатейшие возможности ЬаЬУ1Е\У при работе с
различными объектами.

5.4.	Конструкции программирования 1аЬ\ЛЕУУ

В системе программирования ЬаЬУ1ЕХУ конструкции программи-
рования называются 81тис1иге8 (структуры). Авторы предпочитают
называть эти объекты конструкциями программирования, поскольку
термин «структура» имеет совершенно отличный смысл примени-
тельно к ряду других систем программирования11.

Все конструкции программирования ЬаЬУ1Е\У представляют
собой прямоугольные области блок-диаграммы, ограниченные рам-
кой. Внутри этой области может быть помещен требуемый програм-
мный код. Провода могут пересекать границы конструкций, переда-
вая исходные данные внутрь конструкции, а результаты — наружу.
В месте пересечения проводами границы автоматически формиру-
ются входные и выходные туннели. Через входные туннели данные

10 Многие ЕхргевкУ!, входящие в состав ЬаЬУ1ЕХУ 7.0 и более поздних версий,
используют этот тип данных в качестве исходных данных или результатов работы.

11 В языке С ключевое слово $1гис1 описывает тип данных «структура», аналогичный
типу данных «кластер» в ЕаЬУШХУ.
поступают внутрь конструкции в качестве исходных данных, через
выходные — покидают ее в качестве результатов работы.

Каждая конструкция программирования может рассматриваться
как «черный ящик» или сложный узел. Это означает, что конструкция
начинает выполняться после того, как на все входные туннели посту-
пят данные, а значения выходных туннелей будут определены лишь
после того, как вся конструкция закончит свою работу.

Условие (Сахе). Конструкция «условие» аналогична таким опера-
торам текстового языка, как ИМЪеп-еке и 8\уйс11 (С)/са8е о Г (Разса!).
Конструкция «условие» проверяет логический либо числовой, либо
строковый параметр на различные значения и выполняет лишь один из
нескольких, соответствующий значению параметра, вариантов кода.

Конструкция «условие» состоит из двух (й'Дйеп-еке) или более
(8\мйс11/са8с о0 страниц. На верхней границе конструкции располо-
жен переключатель страниц. Каждой странице соответствует какое-
либо значение проверяемой величины. Например, если проверяется
логическое значение, то у конструкции «условие» будут две стра-
ницы со значениями «Тгие» и «Ра1§е». Если проверяется текстовое
данное, содержащее название месяца, то у конструкции могут быть
страницы со значениями «январь», «февраль», «март»... Если прове-
ряются целые числа, то могут быть страницы со значениями «1», «2»,
«3:10» (диапазон от 3 до 10), «И, 12, 13, 15:20» (список и диапазон)
и т.п Менять проверочные значения можно с клавиатуры. Добавлять,
удалять, тиражировать нужные страницы можно через всплывающее
меню (правая кнопка мыши). На левой границе конструкции «усло-
вие» расположен селектор (контакт со знаком вопроса), к которому
следует проводом подключить проверяемую величину. При выборе
из палитры-меню конструкция «условие» соответствует оператору
И-Йхеп-еке и по умолчанию проверяет логическую величину, селек-
тор зеленый. Если требуется проверять строки или числа, то надо
лишь подключить нужные данные проводом к селектору — цвет
селектора автоматически изменится на розовый или синий.

Необходимо заметить, что в случае проверки строковых или чис-
ловых параме гров одна из страниц в перечне соответствующих зна-
чений должна содержать специальное значение «НсГан 11» (по умол-
чанию). Эта страница будет выполнена в том случае, если ни одна из
других страниц не пройдет проверку на соответствие. На рис. 5.14
изображена блок-диаграмма определения К! методом табулирования
значений (или табличное задание функции), когда интересуют не
Рис. 5.14. Табулирование К!

любые значения К, а лишь некоторые; для них К! рассчитывается
предварительно.

Каждому такому значению «К» соответствует своя страница кон-
струкции «условие». Для каждого «известного», протабулированного
значения «К» конструкция «условие» выдает результат №. Все
остальные, «неизвестные» значения «№>, будут обработаны страни-
цей со значением «1)еГаи11», в данном случае результатом работы
конструкции в этих случаях будет значение — 1.

Особенности выходных туннелей конструкции «условие»:

1.	Данные, получаемые от конструкции «условие» с выходных
туннелей, должны быть определены независимо от значения прове-
ряемой величины. Следовательно, для всех выходных туннелей необ-
ходимо определить данные на всех страницах конструкции «усло-
вие»! — на каждой странице должен быть провод, передающий
данные в выходной туннель.

2.	В некоторых случаях удобно использовать значения туннелей
по умолчанию. Для этого используется режим «Ызе ВеГаиИ 1Г
ГТтушес!» всплывающего меню свойств туннеля. При этом для тех
страниц, где данные в туннель не передаются, будут использованы
значения для любых чисел — 0, для строк — пустая строка, для логи-
ческих данных — Гаке, для массивов — пустой массив и т.п.
Последовательность (Бециепсе). Конструкция «последователь-
ность» позволяет определить порядок выполнения узлов ВП. Кон-
струкция «последовательность» может состоять из одной или
нескольких страниц программного кода, пронумерованных в порядке
возрастания: 0, 1, 2, К. Сначала полностью выполняется код на
странице 0, затем полностью выполняется код на странице 1 и так
далее, пока не будут полностью выполнены коды на всех страницах.
После этого работа конструкции завершается, данные поступают на
выходные терминалы и могут выполняться следующие узлы блок-
диаграммы. Хорошая аналогия — это книга, которую вы читаете
страница за страницей, последовательно переворачивая их. Как
нельзя не прочитать до конца интересную книгу, так и конструкция
«последовательность» обязательно выполнит все имеющиеся стра-
ницы, досрочно завершить выполнение нельзя. Все страницы «лежат
в одной стопке», в одном месте блок-диаграммы друг над другом. На
верхней границе рамки находится переключатель страниц, с помо-
щью которого можно листать страницы. Нажатием правой кнопки
мыши на границе конструкции можно получить всплывающее меню
свойств, в котором можно добавлять новые страницы, удалять их,
менять местами.

Конструкция «последовательность» позволяет передавать данные
из одной страницы в последующие. Для этого на границе конструк-
ции из всплывающего меню свойств можно поместить один или
несколько элементов «Зедиепсе Ьоса1». Элемент «Зедиепсе Ьоса!»
изображается и на страницах, предшествующих той, на которой данные
будут определены, но доступ к данным на этих страницах невозможен.
На рис. 5.15 изображены два варианта использования конструкции
«последовательность» для измерения напряжения цифровым
вольтметром12.

Начиная с ЬаЬУШЛУ версии 7.0, реализован вариант конструкции
«последовательность», когда страницы лежат не друг над другом, а
разложены рядом, слева направо, по аналогии с кадрами кино- или
фотопленки. Выполнение такой конструкции осуществляется «кадр
за кадром».

Циклы (Рог Ьоор; \У1й1е Ьоор). В ЬаЪУ1ЕХУ используются два
варианта конструкции «цикл»:

цикл с известным числом итераций — «Гог»;

12 См. главу 2.
Рис. 5.15. Конструкция «последовательность». Измерение цифровым вольтметром

цикл с неизвестным числом итераций с постпроверкой условия
продолжения цикла (на языке С до {действие} хукИе(условие), на
Разса! — гереа1 ...ипИ1(условие)\

Для реализации алгоритма предпроверки в ЕаЪУШАУ можно
13
использовать дополнительную конструкцию «условие» .

Режимы работы туннелей циклов, работа с массивами^.
Входные и выходные туннели циклов могут работать в индексирую-
щем режиме, который включается во всплывающем меню свойств
туннеля. Эта возможность широко используется для работы с масси-
вами (рис. 5.16).

В общем случае действует правило: входной индексирующий тун-
нель уменьшает на 1 размерность данных, т.е. если снаружи цикла
двумерный массив (таблица), то внутри индексирующий туннель на
каждой итерации будет выбирать отдельную строку —- одномерный

13	Текстовые языки программирования, как правило, имеют вариант цикла с неизвестным
числом итераций с предпроверкойусловия продолжения цикла — игЫ1е(условие) {действие}.

14	В некоторых случаях эффективнее использовать возможности полиморфных
функций (§3.1).
Рис. 5.16. Индексирующие туннели циклов при работе с массивами

массив (на «нулевой» итерации — строка с индексом 0, на первой —
строка с индексом 1 и т.п.) Если снаружи одномерный массив, то
внутри цикл будет последовательно перебирать отдельные элементы.
Выходной индексирующий туннель увеличивает на 1 размерность
данных (если внутри скаляр — снаружи одномерный массив, если
внутри одномерные массивы (строки) — снаружи двумерный массив
(таблица) и т.п.). При этом количество «элементов» в получившемся
массиве будет соответствовать числу итераций цикла. Также на этом
рисунке изображена блок-диаграмма ВП расчета Ы! с использова-
нием массива.

При использовании цикла Рог и входных индексирующих тунне-
лей можно не подключать контакт «Ь1» (требуемое число итераций).
Входной индексирующий туннель сам определит, сколько элементов
есть в массиве, и выполнит нужное число итераций, чтобы обрабо-
тать все элементы в соответствии с вышеуказанным правилом. Если
цикл имеет несколько индексирующих туннелей, на которые переда-
ются массивы с разным числом элементов, то количество итераций
будет определяться минимальным количеством элементов в массиве.
Если какой-либо массив будет пустым, то цикл не выполнится ни
разу (число итераций = 0).

Использование результатов предыдущей итерации, регистры
сдвига (8Ш/1 Кеу&Мег), узлы обратной связи (ЕеедЬаск Мойе). Во мно-
гих циклических алгоритмах предполагается передача информации
с одной итерации на другую.
Например, рассмотрим алгоритм вычисления факториала. Если
«М» — целое неотрицательное число, то функция «И!» определяется
следующим образом:

Ы=0:Ы!=1;

М>0 :Ы!=1*2*...* (Ы-1) *М

В комбинаторных задачах показывается, что функция 14! выра-
жает число перестановок «К» различных объектов. 14! можно опреде-
лить следующим рекуррентным соотношением: 0!=1; Ы!=(14-1)!*14,
где К = 1, 2, 3....

Приведем алгоритм расчета на С:

/* Расчет функции п! Проверку на п>=0 не делаем */

1:	ипзтдпес! тпР 1ас1 (ипз1дпе<1 1пЕ п)

2:	{

3:	ипзтдпеб хпЕ 1=1, 1;

4:	1ог (1=1; 1<=п; 1=1+1)

5:	1=1*1;

6:	ге!игп 1;

7:	}

Запишем иначе пятую строку программы:

5* • -Г	-	—-Р	-	* 1 •

' -‘-(текущей итерации) (с предыдущей итерации) '

В текстовых языках программирования это означает буквально
следующее: надо взять значение из ячейки памяти с именем «Г»,
умножить его на «1» и поместить обратно в ячейку памяти «Г». Про-
граммируя в ЕаЬУ1Е\У, мы не работаем с понятиями «ячейка
памяти», мы работаем с потоками данных в соответствии с техноло-
гией Оа1а!1о\у.

Для передачи данных с текущей итерации цикла на следующую
используется элемент «регистр сдвига» (81ЙГ1 Ие§1х1ег). Регистр
сдвига состоит из двух контактов на левой и правой сторонах рамки
конструкции «цикл». Правый контакт позволяет запомнить значение
на текущей «1-й» итерации, а левый — вспомнить его на следующей
«1 плюс первой». Для выполнения «нулевой» итерации левый кон-
такт регистра сдвига можно инициализировать нужным значением15.
На рис. 5.17 изображен алгоритм расчета К! в ЬаЬУ1ЕЛУ. Обратите
внимание, что этот ВП можно использовать в других ВП в качестве
подпрограммы (8иЬУ1) (см. рис. 5.7, б).

15 Начиная с ЬаЬУ1Е\У 7.0, реализована аналогичная конструкция РеейЬаск Хойе.
Внешнее представление конструкции несколько иное, работа аналогична регистрам
Рис. 5.17. ВП расчета М с использованием регистра сдвига. Встроенная справочная
система ЬаЬУ1Е\У показывает описание этого ВП

Особенности регистров сдвига:

1.	Левый, входной, контакт регистра сдвига можно растянуть по
вертикали. В этом случае в текущей, «1-й» итерации цикла, можно
использовать данные с «1 - 1», «1 - 2» и т.п. итераций.

2.	Если на левый, входной, контакт регистра сдвига извне цикла
не передаются данные (неинициализированный регистр сдвига), то
регистр сдвига «запоминает» свое значение и сохраняет его для после-
дующего запуска ВП. В языке С аналогичную роль выполняет клю-
чевое слово «81а1лс». Один из способов использования этой весьма
полезной особенности — реализация механизма Гппсйоп 61оЬа1. Этот
механизм может использоваться для обмена данными как между отде-
льными участками кода ВП, так и между различными ВП.

Особенности цикла «Рог»:

1.	Цикл «Гог» в ЬаЪУ1Е\У нельзя завершить досрочно, до истече-
ния заданного числа итераций. Можно блокировать участки кода от
выполнения на «нежелательных» итерациях с помощью конструкции
«условие».

2.	Цикл «Гог» может ни разу не выполниться, т.е. число итераций
будет равно 0 (например, в случае пустого массива, переданного на
Рис. 5.18. Особенности цикла Рог при «нулевом» числе итераций

входной индексирующий туннель). В этом случае значениями дан-
ных на всех выходных туннелях буду1 «значения по умолчанию»
(рис. 5.18).

3.	Если данные поступают в цикл на вход регистра сдвига (51нЙ
Кеё181ег) и покидают цикл с выхода регистра сдвига, то значения
сохраняются даже в том случае, если цикл ни разу не выполнится.

Особенности цикла «ЦЪПе»:

1.	Цикл «\УЫ1е» в ЬаЬУ! Е\У выполняется, по крайней мере, 1 раз,
поскольку является циклом с постпроверкой условия.

2.	В современных версиях ЕаЬУ1Е\У с помощью всплывающего
меню можно менять правило проверки продолжения-останова
(рис. 5.19). Всплывающее меню позволяет выбрать один из двух
режимов — «81ор 1Г Тгие» или «Сопйпие И Тгие» («остановись, если
истина» или «продолжай работу, если истина»), В ранних версиях
ЬаЪУ1Е\У был реализован только режим «СопНпие И'Тгие».

Локальные (Ьоса1 УаНаЫе) и глобальные (С1оЬа1 УапаЫе) дан-
ные. Конструкция «глобальные данные» и соответствующая техно-
логия ЬаЬУ1Е\У позволяют создать данные, которые будут использо-
ваться различными ВП. Использовать эту технологию следует с
большой осторожностью, чтобы не допустить спонтанного измене-
ния данных виртуальными приборами. Опытные программисты
достаточно редко используют «глобальные данные» при разработке
Рис. 19. Различные режимы останова цикла \УЫ1е (пока кнопка на передней пане
не нажата, она выдает значение Ра1$е, при нажатии — Тгие)

Рис. 20. Расчет № с помощью конструкции «локальные данные» (Ьоса! УапаЫе)

виртуальных приборов, поскольку есть более безопасные и не менее
эффективные методы передачи данных между ВП, такие как ГппсИоп
О1оЪа1, Буфер (Риеие), технология Паи 8оске1: и др.

Гораздо чаще используется конструкция «локальные данные»
(Боса! УапаЫе) (рис. 5.20).

Ключевые аспекты использования локальных данных таковы:

1)	Боса! УапаЫе можно рассматривать как копию терминала
какого-либо элемента передней панели. Таким образом, можно
использовать один и тот же элемент передней панели в различных
частях кода ВП. Например, можно остановить два параллельно рабо-
тающих цикла \\'1111е нажатием на одну кнопку «Стоп»16;

2)	использование конструкции «локальные данные» позволяет
преодолеть разницу между режимами работы элемента пользователь-
ского интерфеса «регулятор» и «индикатор», т.е. можно программно
изменять значения регуляторов и считывать значения с индикаторов.
Ьоса! УапаЫе может работать в режиме чтения или записи данных,
режим переключается через всплывающее меню. На рис. 5.20 приве-
ден пример расчета К! с использованием локальных переменных.
Недостатком такого приема является низкая скорость работы, пос-
кольку на каждой итерации требуется обращение к передней панели.

Формула (Рогти1а	Конструкция «формула» (рис. 5.21)

позволяет компактно и наглядно кодировать сложные, громоздкие
выражения. Во всех случаях такие выражения можно рассчитывать,
используя встроенные функции ЬаЬУШХУ, однако блок-диаграмма в
этом случае может быть весьма громоздкой и трудно воспринимае-
мой «на глаз».

Конструкция «формула» предоставляет возможность реализовы-
вать небольшие фрагменты исходного кода программы на С непо-
средственно в ЬаЬУ 1ЕЛУ.

Рис. 21. Конструкция «формула» при расчете К!

16 Может потребоваться изменение «механического аналога» кнопки через
всплывающее меню свойств кнопки (МесЬашса! Асйоп).
5.5.	Пример создания виртуального прибора

Постановка задачи. Пусть требуется разработать виртуальный
прибор для циклической генерации случайного числа в заданном
диапазоне с проверкой на допустимость значения и записью изме-
ренных значений в файл. Исходные данные для разработки ВП при-

ведены ниже:

Количество параметров..............

Диапазон значений..................

Период дискретизации...............

Проверка на допустимость
значений параметра.................

Индикация аварии...................

Визуализация в темпе
эксперимента.......................

Отображение результатов

после эксперимента.................

Запись результатов в файл..........

Формат файла.......................

Формат строки ......... Р...........

Начало измерений...................

Завершение работы..................

1

Диапазон задастся в темпе
эксперимента регулятором на
передней панели
500 мс

В темпе эксперимента,
проверка на максимально
допустимое значение
(уставку)

Лампа на передней панели

«Бегущий» график

Таблица время-значение

В темпе эксперимента, имя
файла запрашивается в начале
работы ВП

«Текстовый», построчный
Время, диапазон, уставка, зна-
чение параметра, разделитель
полей — символ «табуляция»
Кнопка «Пуск» на передней
панели

Кнопка «Стоп» на передней
панели

Разработка передней панели ВП. Для разработки используются
следующие элементы (табл. 5.1).

Используя палитру-меню элементов пользовательского интер-
фейса, конструируем переднюю панель. Возможный вид передней
панели изображен на рис. 5.22.

Кроме того, для визуальной группировки различных исходных

данных используем две прямоугольные рамки из палитры
Песогайопв и окружаем ими регулятор «Диапазон» и параметры про-
верки на допустимость значений.

Разработка блок-диаграммы. Алгоритм работы ВП может быть
следующим:

1.	Начало (запуск виртуального прибора).
	Таблица 5 1  Исходные данные для разработки
Название	Палитра, элемент, режим работы
Диапазон	Кителе, Б1а1, круглый регулятор
Уставка	Кителе, Уегйса! 8Нде, ползунковый регулятор
Авария	Воо1еап, лампа, индикатор
График	Сгарй, ХУауеГопп сйаП (бегущий график), индикатор, мышкой растягиваем объект Ье^епб (легенда, над верхним правым углом графика), задаем способ отображения и названия кривых через всплывающее меню. Для отображения нескольких значений эти значения следует собрать в кластер.
Пуск	Воо1еап, ОК Вийоп, регулятор, меняем надпись на кнопке
Стоп	Воо1еап, ОК Вийоп, регулятор, меняем надпись на кнопке
Файл	8йт§ & РаЙ1, Г Не раЙ1 тсНсаЮг, индикатор
Таблица	Алау, двумерный массив чисел, внутрь массива помещаем Кителе 1псйса1ог

2.	Запрашиваем у оператора имя файла для сохранения результа-
тов, открываем выбранный файл. Удаляем с графика результаты пре-
дыдущего эксперимента. Удаляем элементы из таблицы.

3.	Ожидаем нажатие на кнопку «Пуск».

4.	Определяем время старта, переходим в режим «измерений».

5.	Циклически, через ей = 500 мс, выполняем следующие действия:
определяем время со старта;

генерируем случайное число 0—1. Умножаем на значение регуля-
тора «Диапазон», получаем число 0 — Диапазон;

определяем текущее значение уставки;

сравниваем результат измерения с уставкой, при превышении
зажигаем лампу «Авария»;

отображаем на график следующие данные: Диапазон, Уставка,
измеренное значение;

формируем строку со значением времени, для чего преобразуем
число (время в секундах) в строковый вид — формат числа с плаваю -
щей точкой, 3 знака после запятой;

формируем строку с полями Диапазон, Уставка, измеренное зна-
чение, разделенными табуляцией, в конце символ перевода строки.
Формат преобразования — число с плавающей тбчкой, 2 знака после
запятой;

формируем итоговую строку для записи в файл в виде время —
табуляция — строка с предыдущего этапа;
Рис. 5.22. Передняя панель одноканального регистратора

записываем итоговую строку в файл;

передаем текущее время и измеренное значение на выходные
индексирующие туннели цикла, чтобы можно было после заверше-
ния работы построить таблицу время—значение;

проверяем условие завершения цикла — нажатие оператором на
кнопку «Стоп».

6.	После завершения цикла на шаге № 4 закрываем файл, полу-
чаем одномерные массивы с выходных индексирующих туннелей
цикла, формируем двумерный массив время—значение и отображаем
на переднюю панель.

7.	Конец.

Для реализации этого алгоритма можно использовать конструк-
цию программирования «последовательность», состоящую в данном
случае из пяти страниц, расположенных слева направо (рис. 5.23).

Помещаем на блок-диаграмму конструкцию «Е1а1 8ециепсе
81гис1иге», через всплывающее меню добавляем нужное количество
Рис. 5.23. Блок-диаграмма одноканального регистратора

Рис. 5.24. Файл результатов работы регистратора, обработка полученных данных
в Мкго8ОЙ Ехсе1
страниц. Затем формируем блок-диаграмму в соответствии с нашим
алгоритмом. Сохраняем виртуальный прибор на диск под именем
«Регистратор.У!».

Наш виртуальный прибор готов к работе!

На рис. 5.24 показан фрагмент файла результатов в текстовом
редакторе, а также возможность обработки полученных данных в
других программах.

5.6.	Вспомогательный материал для разработки ВП

Краткое описание интерфейса ЬаЫ1ЕИ 7.1 (рис. 5.25—5.30) —
меню, тулбары, горячие клавиши. Ниже приводится краткое описа-
ние интерфейса системы ЬаЬУ1Е\У версии 7.1. На момент издания
данного пособия текущей версией ЬаЪУ1Е\У является версия 8.2,
в которой меню и внешний вид палитр-меню несколько отличается.

Панели инструментов (Тоо1Ьаг). Для окон переденей панели
(рис. 5.27) и блок-диаграммы (рис. 5.28) вид панелей инструментов
несколько отличается. Панель инструментов панели блок-диаграммы
(табл. 5.3) имеет дополнительные кнопки для отладки ВП.

Палитры-меню (Ра1еНе). Внешний вид палитр-меню можно
настроить через меню Тоо18»ОрНоп8. Палитра-меню СопйчЯз Ра1с11е
используется для создания передней панели ВП. Она содержит

Рис. 5.25. Передняя панель виртуального прибора
Рис. 5.26. Блок-диаграмма виртуального прибора

Рис. 5.27. Панель инструментов окна передней панели (Егоп! Рапе! Тоо!Ьаг)

Рис. 5.28. Панель инструментов окна блок-диаграммы (В1оск П!а^гат Тоо1Ьаг)

Рис. 5.29. Палитра-меню Соп(го1$ Ра1еИе на окне передней панели (слева) и палитра-
меню Рипсйопз Ра1еПе окне блок-диаграммы (справа)
Основные кнопки панели инструментов окна блок-диаграммы

				Запуск ВП
		й		Запуск ВП в процессе работы
				Обнаружение компилятором ошибки в коде ВП, при нажатии на кнопку откро- ется список ошибок
				Циклический непрерывный запуск ВП, отмена циклического запуска
		й		Аварийный останов ВП
				Приостанов выполнения ВП, переключе- ние пошагового режима выполнения ВП
				Настройка атрибутов отображения текста
				
				Выравнивание и распределение элемен- тов на панели
	Е		жг!	
				
	чг I	I			
				Инициализация окна контекстно-чувст- вительной справочной системы (версии ЬаЬУ1Е\У 7.0 и выше)
		3		
				

Дополнительные кнопки панели инструментов окна блок-диаграммы

			Замедленное выполнение ВП с режи- мом визуализации, показ текущих дан- ных, передаваемых каждым проводом
			Пошаговое исполнение с заходом «внутрь» конструкции программирова- ния или подпрограммы (8иЬУ1)
			Пошаговое исполнение без захода «внутрь» конструкции программирова- ния или подпрограммы (8иЬУ1)
	уДиг		Выполнение программы ВП до завер- шения текущего блока исходного кода, после — останов
в иерархической форме все элементы пользовательского интерфейса
(числовые регуляторы и индикаторы, логические, графики, кнопки и
т.п.). Палитра-меню элементов блок-диаграммы (Рипсбопз Ра1ейе)
используется для создания блок-диаграммы ВП. Содержит в иерархи-
ческой форме все встроенные функции и подпрограммы (8пЬУ1), рас-
пределенные по функциональному назначению (арифметика, работа
со строками, массивами, кластерами, файловый ввод-вывод и т.п.).

Для отображения палитр на экране используются пункты меню
1У1пс1()\\>>РИ()}\' Соп1го1з Ра1еПе окна передней панели ВП и
И777б/бЛ1> >57/011' РипсНопз Ра1еПе окна блок-диаграммы ВП. Также
палитры-меню могут быть вызваны щелчком правой кнопки мыши
на свободном месте экрана передней панели или блок-диаграммы
ВП. Меню Тоо18»Орйоп8 позволяет настроить ЕаЬ У1ПАУ так, чтобы
палитры-меню отображались на экране автоматически при запуске
ЬаЪУ1Е\У.

Палитра-меню инструментов (Тоо1в Ра1е11е) (рис. 5.30).
Палитра содержит инструменты, использующиеся для разработки
ВП. Отобразить палитру можно с помощью пункта меню
ТРтскгю » Тоо1$ Ра1еНе либо комбинацией клавиш 8Ый + пра-
вая кнопка мыши (табл. 5.4).

Рис. 5.30. Палитра-
меню инструментов

Меню^. Большинство пунктов меню (табл. 5.5)
являются стандратными как и для большинства
ХУтскнуз-приложений. Отметим лишь некоторые
пункты меню, характерные для ЬаЪУТЕАУ.

Различные способы расчета функции И! . На
рис. 5.31 приведено девять разных способов
определения значения 14!:

использование регистра сдвига (8Ый
Ке§1з1ег);

использование конструкций «последователь-
ность» и «локальные данные»;

формирование массива чисел [1, 2, З...К] в
цикле с использованием индексирующего тун-
неля, затем перемножение элементов;

табличное задание функции, использование
конструкции «условие»;

Расположение пунктов меню может несколько отличаться в разных версиях ЬаЬ-
У1Е\У.
Элементы палитры-меню инструментов

«Указательный палец» (ОрегаГе Уа1ие) — изменение значений
регуляторов, констант, нажатие кнопок. Этот инструмент авто-
матически включается во время запуска ВП

«Стрелка» (Роыбоп/812е/8е1ес1) — основной инструмент редак-
тирования передней панели и блок диаграммы ВП. Позволяет
менять расположение, размеры элементов, группировать их
вместе

«Текст» (Ейй Тех!) — позволяет менять текстовые поля в любом
месте рабочей области ЬаЬУШХУ, например менять названия
элементов, настраивать оси координат графиков, создавать сво-
бодные текстовые комментарии на передней панели и блок-диа-
грамме ВП и т.п.

«Катушка» (Соппес! \У1ге) — используется для прокладки и
подключения проводов на блок-диаграмме, а также при созда-
нии коннектора подпрограммы (8иЬУ1) указывает соответствие
контакта коннектора ВП и элемента передней панели ВП

«Всплывающее меню свойств» (ОЬ]ес1 ЗйоПсШ Мепп) — анало-
гичен правой кнопке мыши. Отображает всплывающее меню
свойств объекта или палитры-меню элементов передней панели
или блок-диаграммы ВП

«Ладонь» (8сго11 АУшсклу) — перемещает рабочее поле перед-
ней панели или блок-диаграммы в любом направлении относи-
тельно окна программы. Используется в случае больших разме-
ров передней панели/блок-диаграммы или при недостаточном
разрешении видеосистемы компьютера

«Точка останова» (8е!/С1еаг Вгеакрот!) — используется при
отладке ВП. Назначает/снимает точку останова для любого узла
ВП. Точкой останова можно управлять из всплывающего меню
свойств узла

«Пробник» (РгоЬе ОаШ) — используется для просмотра значе-
ний данных, передаваемых по любому проводу блок-диа-
граммы. Пробником можно управлять из всплывающего меню
свойств нужного провода

«Пипетка» (Се! Со1ог) — запоминает цвет выбранного объекта

«Палитра цветов» и «Кисть» (8е1 Со1ог) — позволяет выбрать
цвет фона и текста, а также раскрасить выбранный объект
Основные используемые пункты меню

Раздел меню	Пункт меню	Горячие клавиши	Назначение
ЕПе	Кезу VI	СШ+К	Создать новый ВП
	8ауе АН		Сохранить все ВП (включая всю иерархию ВП)
	8ауе \уйЬ Орйопа		Сохранить с опциями (например, защитить паролем или записать в библиотеку ВП)
	VI Ргорегбез	С1г1+1	Настроить свойства ВП
Ебй	Опс1о	С1Г1+2	Отменить последнее действие (количество шагов «отката» можно настроить в меню Тоо18»ОрИопз)
	Си81огп1хе Сопгго!		Редактировать внешний вид элемента передней панели, позваляет создавать собственные элементы передней панели
	Кетоуе Вгокеп ХУйеа	С1г1+В	Удалить с блок-диаграммы все «плохие», разорванные провода
	СгеаГе 8иЬУ1		Создать подпрограмму на основе выделенного на блок-диаграмме кода
	Кип-Пте Мепи		Создание и редактирование меню ВП, которое будет отображаться и работать во время выполнения ВП
ОрегаГе	Кип	Сй1+К	Запуск ВП из оболочки ЕаЬУ1Е\У
	81ор	С1г1+ «.»	Останов ВП
Тоок	Меаяигетеп! &  Аиблпайоп Ехр1огег		Запуск интерактивного драйвера оборудования Кайола! 1п81гишеп18 (МАХ)
	1п81гитеп1а1юп		Подключение драйверов приборов к ЕаЬУ1ЕУ/
	Оа(а Асцшвйюп		Интерактивный помощник создания приложений для работы с многофункциональными измерительно- управляющими платами Кайола! 1п8йи- тепЬ
Раздел меню	Пункт меню	Горячие клавиши	Назначение
Тоо1з	Вш1<1 АррНсаРоп ог 8Ьагес1 I лЪгагу (ОЬЬ)		Компиляция исходного кода, создание ЕХЕ-файла или библиотеки динамической компоновки ПЕЕ
	Е<1й VI ЫЬгагу		Редактировать библиотеку ВП
	Орйоп8		Настройки ЕаЬУ1Е\У
Вгогузе	8Ьо\у VI НгсгагсЬу		Показать полную иерархию ВП (ВП верхнего уровня и все связанные подрограммы)
\Утс1ои/	8йо\у В1оск  П!а§гат/81ю\у  Ргоп! Рапе!	СЛг1+Е	Открыть блок-диаграмму/переднюю панель текущего ВП (удобно при одновременном редактировании нескольких ВП)
	8Ьо\у Соп1го18 Ра1еРе (в меню окна передней панели)		Открыть палитру-меню элементов построения передней панели ВП
	8Ьом/ Еипсбопз  Ра1еПс (в меню окна блок-диаграммы)		Открыть палитру-меню построения блок-диаграммы ВП
	8йоу/ Тоо18 Ра1ейе		Открыть палитру инструментов
	8Ьоуу Еггог Ь181	С1г!+Ь	Показать список предупреждений и ошибок компилятора ЕаЬУ1Е\У
Неф	8Ъо\у Соп!ех1 Неф	С1Г1+Н	Показать/спрятать окно контекстно- чувствительной справочной системы
	VI, Еипсйоп, &  Ноу/ — То Неф	СГг!+?	Открыть справочник по функциям ЬаЬ- У’1ЕУ/
	8еагс11 ТЪе  ГаЬУГЕХУ ВооквЬеИ		Поисковая система по электронной документации ЬаЬУ1ЕУ/
	Ешс! Ехатр1е8		Поиск примеров ВП по тематике задачи или по имени
	Ехр!ат Еггог		Расшифровать числовое значение кода ошибки
Таблица 5.6

Наиболее часто употребляемые клавиши ЬаЬУПЛУ (Но1 Кеув)

С1Г1+В										  Удалить все «плохие» провода с блок-диаграммы
СИ1+Е	Найти и показать окно передней панели или блок-диа- граммы ВП
СЫ+8	Сохранить ВП*
сы+в.	Запуск ВП
Правая кнопка мыши	1.	Щелчок на объекте показывает всплывающее меню свойств объекта  2.	Щелчок на пустом месте экрана отображает палитру- меню элементов пользовательского интерфейса или палитру-меню конструкций программирования, функций и подпрограмм
8ЫЙ + правая кнопка	Показ всплывающего меню для выбора инструмента

В ЬаЬУТЕАУ нет механизма автоматического сохранения программ через заданный
промежуток времени.
использование конструкции «формула»;

вызов функции библиотеки динамической компоновки ОЬЬ;

интегрирование кода программы на С в ЬаЪУ1Е\У (Собе 1п1егГасе
Кобе);

использование ранее созданной подпрограммы (8иЬУ1).

Контрольные вопросы к главе 5

1.	Каковы отличительные особенности и структура среды графического про-
граммирования ЬаЬУ1Е\У?

2.	Поясните содержание и назначение понятий «виртуальный прибор»,
«передняя панель», «блок-диаграмма», «пиктограмма», «коннектор».

3.	Что находится на передней панели ВП? Объясните разницу между режи-
мами работы элементов передней панели "Регулятор" и "Индикатор".

4.	Каким образом можно отобразить результаты работы ВП на элементе пере-
дней панели с режимом "Регулятор"? Как считать данные с "Индикатора"?

5.	Что находится на блок-диаграмме? Что такое узел, терминал, конструкция
программирования?

6.	Чем определяется порядок выполнения виртуального прибора?

7.	Что такое полиморфизм?

8.	Как в ЬаЪУ1Е\У огранизовать цикл с неизвестным числом итераций с пред-
проверкой условия?
Глава шестая

ЦИФРОВАЯ ОБРАБОТКА СИГНАЛОВ

6.1.	Типовые сигналы и их основные характеристики

Обработка и анализ сигналов, поступающих в ходе проведения экс-
перимента от различного рода первичных преобразователей информа-
ции (датчиков, сенсоров), является важнейшей составной частью
любого научного исследования. От успешного решения данной задачи
во многом зависит и успех исследования в целом.

Характер обработки, математические методы и алгоритмы, приме-
няемые при ее реализации, в первую очередь определяются специфи-
кой конкретной исследовательской задачи и особенностями изучае-
мого объекта.

Обычно различают первичную (оперативную) обработку информа-
ции и вторичную (основную) обработку. Первичная обработка непо-
средственно связана с учетом характеристик измерительного тракта и
анализом свойств наблюдаемых сигналов (процессов), вторичная — с
построением различного рода математических моделей исследуемого
объекта, процесса, явления. Конечно, следует иметь в виду всю услов-
ность подобного деления, поскольку в ряде случаев методы и алго-
ритмы оперативной обработки могут (в расширенном варианте)
составлять и суть основной обработки и наоборот. Тем не менее, такое
деление на практике является полезным. Далее основное внимание
будет уделяться именно первичной обработке данных.

Подобный выбор неслучаен и обусловлен рядом важных причин:

1.	Методы первичной обработки зачастую приходится использо-
вать еще на этапе предпроектных разработок, связанных с созданием
соответствующей системы автоматизации экспериментальных иссле-
дований; при этом результаты предпроектного этапа могут во многом
определять требования к техническому и программному обеспечению
системы, выбору технологических параметров и режимов работы
аппаратуры.

2.	От качества выполнения первичной обработки данных как на
этапе предпроектных разработок, так и непосредственно в ходе прове-
дения эксперимента напрямую зависит и качество конечного научного
результата.

3.	Методы и алгоритмы первичной обработки в значительно мень-
шей степени зависят от особенностей конкретного объекта исследова-
ния по сравнению с используемыми при вторичной обработке.
Поэтому можно говорить о возможности построения достаточно уни-
версальных подходов и методик первичной обработки, основанных на
понятии типовых сигналов.

Под типовыми понимаются сигналы, которые обладают определен-
ными аналитическими свойствами и могут иметь место в самых раз-
личных исследованиях, независимо от конкретной предметной области
их проведения. Обычно выделяют две основные разновидности типо-
вых сигналов — детерминированные сигналы и случайные процессы.

Детерминированные сигналы х(1) представляю! собой известные
функции времени I или, более точно, функции, заданные с точностью
до некоторого набора параметров, подлежащих определению в ходе
экспериментирования. К наиболее часто встречающимся вариантам
таких сигналов относятся:

периодические, для которых справедливо соотношение л(/) = х(1 +
+ кГу, к = 0, ±1, ±2, ...; Т— период сигнала; в общем случае такой

оо

сигнал представим в виде ряда Фурье х(1) = ^ЛА8т(/ссо/+ <рА);
л = о

со = 2пД = 2п/Т; простейшей разновидностью этого ряда является сину-
соидальный (гармонический) сигнал х(/) = Л8т(соГ + ср);

апериодические сигналы — как правило, это различного рода пере-
ходные процессы, имеющие место при исследовании динамических
свойств объектов или явлений.

При работе с детерминированными сигналами в ходе проведения
опытов задача обработки, как правило, сводится к определению тех
или иных неизвестных параметров этих сигналов, которые — по
мысли экспериментатора — несут содержательную информацию о
свойствах объекта. Для периодических сигналов это — его амплитуда,
период или частота, фаза или фазовой сдвиг относительно некоторого
опорного сигнала. Для апериодических сигналов это обычно длитель-
ность переходных процессов, а в случае переходных процессов коле-
бательного характера — частота этих колебаний, значения максиму-
мов и т.п.

Случайные процессы — это процессы, поведение которых развива-
ется в соответствии с вероятностными законами, поэтому их описание
и анализ должны осуществляться с использованием теории вероятно-
стей [39]. В этой связи можно говорить о том, что свойства этих про-
цессов описываются некоторым набором вероятностных характери-
стик.
Теоретически произвольный случайный процесс Х(1) можно счи-
тать определенным, если предположить, что существует бесконечное
множество источников, генерирующих отдельные конкретные реали-
зации случайного процесса, имеющие бесконечную протяженность во
времени, или, иными словами, если задано множество реализаций
/ = 1, 2,..., п, ... бесконечной длины. При некотором фиксирован-
ном времени получается совокупность значений случайной вели-
чины Х|(/|), х2(^), ...,хп(11),..., вероятностные свойства которой могут
быть описаны соответствующими одномерными характеристиками.
Рассматривая два различных момента времени 1\, 12, можно ввести
двумерные характеристики. В общем случае исчерпывающим образом
вероятностные свойства произвольного случайного процесса могут
быть описаны с помощью //-мерных характеристик, где и стремится к
бесконечности. С практической точки зрения интерес представляют,
как правило, лишь одно- или двумерные характеристики, сравни-
тельно просто определяемые экспериментально.

Случайный процесс, вероятностные свойства которого не изменя-
ются во времени, называется стационарным. Для такого процесса, в
частности, одномерные характеристики не зависят от времени, т.е. от
выбора конкретного значения а двумерные являются функцией
лишь разности т = ~ бе ^относительно к тому, где эта пара значений
^1, 12 размещена на оси времени. Понятие стационарности является
полезной теоретической абстракцией. Реальные процессы, строго
говоря, не могут быть стационарными хотя бы потому, что исследова-
тель всегда имеет дело с реализациями конечной длительности.
Однако и в пределах этой длительности вероятностные свойства про-
цесса могут меняться. Поэтому правильнее было бы говорить не о ста-
ционарных процессах, а о процессах стационаризуемых, свойства
которых остаются неизменными на некоторых ограниченных участках
времени или явная нестационарность которых может быть устранена с
помощью не слишком сложных способов обработки (скажем, фильтра-
цией сигналов).

Из всей совокупности стационарных процессов можно выделить
класс случайных эргодических процессов. Они характеризуются тем,
что одна-единственная бесконечная реализация процесса несет всю
информацию о его вероятностных свойствах. Иными словами, для эрго-
дического процесса совершенно безразлично, имеет ли место множе-
ство реализаций и вероятностные характеристики определены путем
усреднения по этому множеству, ансамблю реализаций или же дана
всего одна реализация бесконечной длины и вероятностные характерн-
стики вводятся путем усреднения по времени. Для эргодических про-
цессов характеристики, получаемые путем усреднения по множеству и
по времени, совпадают. С практической точки зрения эргодичность слу-
чайного процесса позволяет в ходе исследования одного источника сиг-
нала получить полное представление о свойствах всей совокупности.
Конечно, при этом следует соблюдать определенную осторожность,
поскольку подобное распространение во многих случаях хотя и может
быть обосновано с физической точки зрения, тем не менее эргодич-
ность внутренне присуща далеко не всем реальным сигналам. В какой-
то степени проверкой эргодичности процесса является проведение
исследований не с одним объектом, а с целой группой, если при этом
получаются идентичные результаты о свойствах изучаемых реализаций
случайного процесса. Отметим также, что в ряде случаев, даже если
процесс не является эргодическим, имеет смысл изучение его времен-
ных характеристик. Зачастую полезная информация содержится в
самом факте постоянства этих характеристик во времени или факте их
внезапного изменения, даже если точные количественные результаты,
полученные в ходе экспериментирования с одним объектом, не могут
быть перенесены на всю совокупность.

Укажем наиболее важные вероятностные характеристики случай-
ных стационарных эргодических процессов. Во всех последующих
математических определениях тех или иных характеристик первое
соотношение вводится как результат вероятностного усреднения по
множеству, а второе — по времени:

1.	Функция распределения вероятностей (интегральный закон рас-
пределения вероятностей):

=	(6.1)

(6.2)

где Р{Х < х} —- вероятность того, что значение случайного процесса
Х(1) не превосходит некоторого фиксированного значения х, рассмат-
риваемого как переменная граница;

== | I приАТ/)<л-;	(6-3)

[ 0 при Х(Г) >х.

Иными словами, функция Р^х) показывает, какова относительная
доля значений Х(?), не превосходящих некоторого граничного значе-
ния х, или же каково относительное время пребывания Х(1) ниже этой
границы х, если длина реализации Т бесконечно возрастает.
2.	Дифференциальный закон распределения вероятностей (функция
плотности вероятностей):

/л(х>=М = Кт	Пт Р{х<Х<(х + Дх)}

ах Ах -> о Ах	дх —> о	Ах

т

/^х) = 1Ш1	^Дх(>Ж	(6.5)

Дх —> О, 1 1\Х

Т^<х	О

где ^(Г) = ( 1 прих<Х(О<х + Дх;

[ 0 при Х(1) вне указанного интервала.

При этом Ах —> 0 и 7 —> оо стремятся к своим пределам некоторым
согласованным образом. Функции Р^(х) и /Дх) взаимно однозначно
связаны друг с другом и являются исчерпывающими одномерными
характеристиками процесса Х(1). Другими словами, зная Р%(х) или
./Дх), можно всегда определить вероятности попадания Х(1) в любую
часть из области его возможных значений. Например, для интервала
А = х2 - х^ соответствующая вероятность нахождения Х(() внутри этого
интервала определяется соотношением

х2

Р{Х(1) е А} = Р{х! < Х(1) < х2} = Ру(х2) - РхСч) = |Д(х)(1х. (6.6)

Х1

В качестве примера выделим нормальное (гауссовское) распределе-
ние (рис. 6.1):

.Д 1	-(х-а)2/(2й2)

/^х)=-=г-е	,	(6.7)

Д2лО

где а и Ъ > 0 — параметры распределения, - оо < х < со.

Данное распределение используется наиболее часто для описания
свойств различных по своей природе случайных величин и процес-
сов. Теоретическим обоснованием роли нормального распределения
является центральная предельная теорема. Когда есть основание
рассматривать исследуемую случайную величину как сумму боль-
шого числа независимых случайных воздействий, влияние каждой из
которых ничтожно мало, то даже если распределения составляющих
воздействий произвольны, можно ожидать, согласно центральной
предельной теореме, что исследуемая случайная величина будет рас-
пределена по нормальному закону. Отсюда, однако, не следует, что
любая случайная величина обязательно подчиняется нормальному
а}

Рис. 6.1. Нормальное (гауссовское) распределение с параметрами а = 0; Ь - 1:
а — функция плотности; б — интегральный закон распределения вероятностей

распределению. Нормальное распределение является лишь одним из
типов распределений, встречающихся на практике, достаточно
хорошо описывающим многие (но далеко не все!) случайные вели-
чины. Во многом широкому использованию нормального распреде-
ления способствуют его математические свойства. Именно поэтому
большинство методов математической статистики построено в пред-
положении, что исследуемая величина подчиняется нормальному
распределению, хотя на практике это предположение всегда нужда-
ется в специальной проверке.

Кроме гауссовского используются и другие функции распределе-
ния. В частности, для описания случайных величин, ограниченных с
одной стороны, применяется гамма-распределение, а для ограничен-
ных с двух сторон — бета-распределение. Каждое из этих распределе-
ний фактически представляет собой целое семейство распределений,
формы которых определяются значениями некоторых параметров.
Например, частным случаем гамма-распределения является экспонен-
циальное (рис. 6.2) с функцией плотности

/%(х) = А.е-?а, 0 < х < оо.

Формы функций плотности, входящих в семейство бета-распреде-
ления, еще более разнообразны (выпуклые или вогнутые кривые, сим-
Рис. 6.2. Экспоненциальное распределение с параметром X =1:

а — функция плотности; б — интегральный закон распределения вероятностей

метричные и несимметричные). В частности, к данному семейству

относится равномерное распределение (рис. 6.3):

ш =

1/(Ъ - а), а<х<Ь;
О, а >х или х> Ъ.

Введенные функции Р^х} хотя и являются исчерпывающими
одномерными вероятностными характеристиками случайного про-

«)

Рис. 6.3. Равномерное распределение:

а — функция плотности; б — интегральный закон распределения вероятностей

б)
цесса Х(1), но в ряде приложений слишком сложны для эксперимен-
тального определения и интерпретации. Поэтому большой практиче-
ский интерес представляют пусть не столь полные, но зато более
простые числовые характеристики случайных процессов и их функций
распределения. Большинство таких характеристик основано на поня-
тии математического ожидания произвольной функции ^(х) случай-
ного процесса, являющегося результатом вероятностного (т.е. с ядром
в виде плотности вероятности) усреднения этой функции:

+оо	Т

= |^<х)/А(х)ск - у, |^[х(/) |с1/.	(6.8)

—оо	О

Если функция §{х) является функцией степенного вида, то говорят
о моментных (одномерных) характеристиках случайного процесса
Х(1). Различают начальные и центральные моменты //-го порядка. На
практике обычно используют:

начальный момент первого порядка или математическое ожидание
самой случайной величины или процесса Х(1):

+оо	Т

тх = М{Х} = [ х/Хх)дх = 1йп - [х(/)с!л	(6.9)

-оо	О

Математическое ожидание тпх — это одна из важнейших характе-
ристик любого распределения, определяющая центр рассеяния орди-
нат процесса, т.е. среднее значение процесса ДО;

центральный момент второго порядка, или дисперсия случайной
величины или процесса Х(1)\

+оо	Т

с2х = 1){Х} = \ (х-тх)2/х(х)(1х = Нт 1 [[%(/)- тх]2&. (6.10)

Т оо 7

-00	О

Дисперсия является характеристикой степени рассеяния случай-
ного процесса Х{1) относительно его среднего значения. С физической
точки зрения дисперсия определяет среднюю мощность переменной
составляющей процесса Х(1). Положительный корень квадратный из
дисперсии, т.е. <зх = 7п|Л'1 называют средним квадратическим
отклонением. Эта величина также может быть использована как харак-
теристика степени рассеяния, причем с практических позиций она
даже более наглядна, чем дисперсия, поскольку имеет размерность
самой переменной А^/). Заметим, что в соотношении (6.7) для парамет-
ров нормального распределения имеем а = тх, Ь = оЛ..

С помощью центральных моментов третьего и четвертого порядков

+оо	Т

Мзлг = / (* - ^)34(-х)<к = Пт 1	;

-оо	О

+оо	Т

М4А = / (х - тХ^/х(Х№х = 1,111 к[[х(О-™х]4&

—со	О

вводятся безразмерные показатели асимметрии у.ь\- и эксцесса у,ъу рас-
пределения /%(х):

УаХ з ’ УэХ 4	3 

(6.П)

Коэффициент асимметрии у^ есть некоторая характеристика
несимметрии кривой функции плотности .Д(.х) относительно тх. В
частности, для симметричных распределений у.сХ = 0. Коэффициент
эксцесса уэ^ характеризует степень остро- или плосковершинности
кривой /^х), где в качестве эталонной рассматривается функция нор-
мального распределения, для которой уэХ= 0-

Для упомянутых ранее распределений перечисленные выше число-
вые характеристики принимают следующие значения:

для равномерного распределения

тпх=(а + Ьу2-> с2х=(Ь-а)2/\2\ у^=0; уэХ=-1,2;

для экспоненциального распределения

тх= 1/Х;	= 1/Х2; Уау=2; уэх=6.

Если рассматривать два момента времени /, и 12, то можно ввести
двумерные распределения — двумерные интегральную х2, т) и
дифференциальную Д(х15 х2; т) функции, где т = /2 - Используя поня-
тие математического ожидания функции двух переменных ^[А(?1), Х(^2)]

+оо+оо

/ |^(х1,х2)/(х1,х2;т)с1х1дх2,

—оо ~оо

несложно записать соотношения для двумерных начальных и цен-
тральных моментов различного порядка.
Наибольшее практическое значение из них имеет центральный
смешанный момент второго порядка, называемый корреляционной
(или автокорреляционной) функцией процесса Х{1) и обозначаемый
[39]:

Кхх(г) = М{[Х(Л)-тНИг2)-»»И} =

+оо+оо

= | |(х1-^)(х2-^)/(х1,х2;т)дх1<1х2 =

-00 —оо

т

= 1пп - Г[х(/)-7Ил][х(/ +т)-т^]б?.	(6-12)

Т’-юоТ’-’

О

Автокорреляционная функция есть некоторый показатель степени
линейной зависимости между ординатами случайного процесса Х(1),
разделенными временным сдвигом т. Количественно степень этой
зависимости удобно характеризовать нормированной корреляционной
функцией

РлДт) = Кхх{т)/Ух.	(6.13)

Автокорреляционная функция и нормированная автокорре-
ляционная функция р^(т) обладают следующими свойствами:

КххФ =	= <4^ |Яхх(т)| ’	= Рхх^У -1 РЫ^1-

Кроме того, для большинства процессов /?д-у(т) и Рх\(т) стремятся
к нулю при т —> со. Если при некотором сдвиге ординаты процесса
Х(1) независимы, то для этого сдвига /?Лд{т) = 0, Рх%(у) = 0. Если же
для определенного т значение корреляционной функции равно нулю
(^АтХт) = Рлз’СО = 0), то говорят о некоррелированности значений
процесса Х(1), разделенных временным интервалом т, т.е. об отсут-
ствии линейной зависимости между ординатами ЛХА) и А(/2) про-
цесса. Конечно, в общем случае отсюда не следует, что эти ординаты
Д?1) пХ(^2) статистически независимы. И, наконец, можно показать,
что при Рх\(т) = ±1 соответствующие значения Х(/]), А(/2) связаны
функциональной линейной зависимостью.

Отметим, что для класса гауссовских случайных процессов матема-
тическое ожидание и автокорреляционная функция являются исчерпы-
вающими вероятностными характеристиками. Кстати, для таких процес-
сов некоррелированность одновременно означает и стохастическую
независимость соответствующих значений процесса Х(1).
Наряду с корреляционной функцией, часто используемой характе-
ристикой случайного процесса является спектральная плотность
определяемая следующим образом. Пусть х(1) — реализация
рассматриваемого случайного процесса, заданная на интервале (О, 7), а
Х(со, Г) — ее финитное фурье-преобразование:

т
Х(с»,Т) = {х(/)е->/ск.
о

Тогда задается соотношением

(6-14)

ад®)=	Г)Х*(<й, Г))! = 11т|л/{|Х(ю,Г)|2) > (6.15)

где л (со, Г) — комплексно-сопряженная функция.

С физической точки зрения спектральная плотность описывает рас-
пределение мощности переменной составляющей случайного процесса
А'(/) по частотному диапазону (— оо < со < + оо). Поэтому ее можно опре-
делить и по-другому. Пусть Х(1, о, Лео) есть составляющая процесса
Х(0, имеющая частоты в диапазоне от (со - Дсо/2) до (со +Дсо/2). Тогда

Т

Нт - Гл (I, со, Дсо)сН
7-юо 1 :

_______о_____________

2Дсо

Нт 

Асо —> оо

(6.16)

С математической точки зрения соотношения (6.15), (6.16) эквива-
лентны. Существенно, что спектральная плотность и автокорреляци-
онная функция связаны прямым и обратным преобразованиями Фурье:

+оо

$ххМ = I кхх^ /<,>тс1т;

—00

4-оо

/ 5^(со)с/,,\1со

—00

(6.17)

и теоретически несут одно и то же количество информации о свойст-
вах случайного процесса.

Спектральная плотность обладает следующими свойствами:
+оо

2	1г

ЛАХ^(,)) = ^та(_Сй)’	= 2тс I ^хл^03)^03 •

—00

Последнее свойство накладывает, вообще говоря, дополнительные
ограничения на возможный вид корреляционной функции /^Дт).

Соотношения (6.14)—(6.17) можно несколько видоизменить,
перейдя от круговой частоты со к обычной частоте / что, естественно,
непринципиально. Кроме того, можно не использовать абсолютно кор-
ректные с математической точки зрения, но непривычные для при-
кладных применений отрицательные частоты, если ввести односто-
ронние (непосредственно физически измеримые) спектральные
плотности

= 25уу(<»); со > 0 или 6х^(/) = 25/Л{/); /> 0.

Для практических применений целесообразно ввести ряд инте-
гральных показателей корреляционных функций и спектральных плот-
ностей:

а)	максимальный интервал корреляции тм к, определяемый из усло-
вия Ру\(т) I е при т > тм к; обычно е = 0,05 и, следовательно, значе-
ния процесса Х(1), отстоящие друг от друга на временной интервал
т > тм к, можно считать практически некоррелированными;

б)	интервал корреляции

“	Я™(0)

тк =	;

О	2<Ду

в)	интервал квадратичной корреляции

оо
тк.кв =
о

г)	ширина спектра (верхняя эквивалентная граничная частота)
+оо

—00

э	25Л%(0)	$хх(0)

причем как несложно показать, ширина спектра АО , связана с интер-
валом корреляции тк:

ЛГ2Э = л/(2тк).

Приведем характерные примеры.
1.	Чисто случайный процесс (процесс типа «белого» шума). Здесь
^А.ДТ) = С4/2)5(т), где 8(т) — дельта-функция Дирака, А — кон-
станта, так что = 0 для всех т 0. Для такого процесса спек-
тральная плотность 5^у(со) постоянна на всех частотах. «Белый» шум
обладает бесконечно большой дисперсией и, следовательно, физиче-
ски нереализуем. Однако он может служить полезной идеализацией
реальных процессов, когда спектральная плотность сигнала примерно
постоянна в полосе пропускания динамической системы, ко входу
которой приложен этот сигнал. Для чисто случайного процесса тм к =
= 0, т = 0, т,, = 0, ЛО , = оо.
7 К	7 К.Ко	7	С

2.	Линейные процессы, т.е. процессы, получаемые при пропускании
«белого» шума через линейные динамические звенья различного типа:

звено с прямоугольной частотной характеристикой:

„ , , г зт(<о0т/2) о > ч
Ю(|Т/2	’'

при |со| < со0/2;

при | со) > ю0/2;

Чй.К 2/(ЕС0д) (тм к ~ 40/ГОд, Е 0,05), тк л/(Од, Тк кв Тс/сОд, АО^ (0д/2,
где — граничная угловая частота;

звено первого порядка (фильтр нижних частот):

= с*-е~а|т|;	= 4^4;

а + со

тм.к ~ ~ е/ао (тм.к ~	8 = 0,05); тк = 1/а; тк кв = 1/2а; АГ2Э = (л/2)а,

где а — коэффициенг затухания.

Экспоненциальную корреляционную функцию Кхх(т) = о^е
зачастую используют в качестве типовой при анализе точности экспе-
риментального определения различных характеристик случайных про-
цессов.

3.	Синусоидальный сигнал со случайной фазой у. Данный сигнал
задается соотношением х(/) = а8т(со07 + хр), где \|/ — равномерно рас-
пределенная в интервале (-л, +л) случайная величина. Для этого слу-
чайного процесса

2	2

/?АА(т) = (а /2)со8со0т ; 8хх[а>) = (ла /2)[5(со - со0) + 5(со + со0)].

Соответствующие графики корреляционных функций и спектраль-
ных плотностей приведены на рис. 6.4—6.7.
Рис. 6.4. Корреляционная функция (а) и спектральная плотность (б) «белого» шума

Рис. 6.5. Корреляционная функция (а) и спектральная плотность (б) «белого» шума,
пропущенного через идеальный полосовой фильтр

Рис. 6.6. Экспоненциальная корреляционная функция (а) и соответствующая ей
спектральная плотность (б)
а)

Рис. 6.7. Корреляционная функция (а) и спектральная плотность (б) синусоидаль-
ного сигнала со случайной фазой

О частотных свойствах случайного процесса можно в первом при-
ближении судить непосредственно по его реализации, вычисляя,
например, среднее число пересечений в единицу времени Мо(Г) = Нц/Т
уровня математического ожидания процесса кривой х(1), где н0 —
количество таких пересечений за время Т. Известно, что математиче-
ское ожидание этой величины = М{Ыо(Т)} - Нт (и0/Г) опре-

Т —> ж
деляется для гаусовских случайных процессов соотношением

+оо

М)

-	[ ®25(ю)дсо

7Г 2л 2 }

-.1/2

(6.18)

Выражение под интегралом в (6.18) с учетом нормирующего мно-
жителя формально совпадает с соотношением (6.10) для дисперсии и
может быть интерпретировано аналогичным образом: как простейшая
характеристика степени рассеяния — в данном случае частотных
составляющих случайного процесса. Известна и определенная связь
между и максимальным интервалом корреляции тм к:

тм.к = с%	(619)

где с — константа, разная для процессов с различными корреляци-
онно-спектральными свойствами. На практике обычно полагают с =
= 2,0.

Если рассматривать не один случайный процесс А(0, а задать два
процесса А'(/) и У(/), то можно ввести взаимные характеристики двух
случайных процессов. С практической точки зрения наибольший инте-
рес из них представляют взаимные корреляционные функции: ненор-
мированные /?Ау(т) и нормированные рАА(т) — и взаимная спектраль-
ная плотность 5^у(со):

= М{ [Х(/1) - тх] [ У(12)-ту]} =

т

= Нт 1 Г[х(О - тх\ [у(/ + т) -	(6.20)

7 —> со 1

о

7?уу(т)

Рху(^) = 7ГТ2;	(6-21)

стдау

5^®) = Нт 1М{Д(Ю,Г)У*(®,П)}-	(6.22)

Тх 1

Как и раньше, обе эти функции связаны парой преобразования
Фурье. Взаимные корреляционные функции по-прежнему характери-
зуют степень линейной зависимости — теперь между ординатами
двух случайных процессов Х(1) и 7(1), разделенных временным интер-
валом т; однако Т?Ау(т) и РхКт) в общем случае уже не являются чет-
ными функциями. Взаимная спектральная плотность в общем случае
есть комплексная функция

*$ат(ю) = Ке5уу((о) —у‘1т»$,^у(сй) = |Ууу(ю)|е

Функцию С^у(со) = Ке5уу(со) называют коспектральной плотностью
(коспектром), а бхкС03) = 1ш5^у(сй) — квадратурной спектральной
плотностью (квадратурным спектром).

Экспериментальное определение взаимной спектральной плотно-
сти достаточно производить лишь для положительных частот,
поскольку

ю) =	= Ке5^у(а>) + /1т5А!(ы).

Существует и еще одна спектральная функция, характеризующая
общность спектральных составляющих двух случайных процессов, —
функция когерентности

(6-23)

Эта функция равна нулю для независимых процессов, единице —
для процессов, связанных линейной зависимостью (статической или
динамической) и находится в пределах от нуля до единицы во всех
других случаях (например, при нелинейной связи или/и наличии адди-
тивных независимых шумов, входящих в состав процессов Х(1) и У(0)-
6.2. Аналого-цифровое преобразование

Алгоритмы обработки информации — как первичной, так и вторич-
ной, в настоящее время реализуются почти исключительно с помощью
компьютерной техники (чаще всего на ПЭВМ той или иной конфигу-
рации). Поскольку исходные сигналы обычно являются аналоговыми,
возникает задача их преобразования в цифровую форму. Однако такое
преобразование, вообще говоря, неизбежно ведет к определенным
искажениям свойств исходного сигнала. Важно организовать преобра-
зование аналог—цифра так, чтобы минимизировать возможные иска-
жения, для чего необходимо рассмотреть всю цепочку операций от
источника сигнала (точки измерения) до формируемого в памяти ком-
пьютера файла с результатами измерений.

В общем виде указанная цепочка включает в себя датчик или сен-
сор, содержащий чувствительный элемент, непосредственно реаги-
рующий на измеряемый параметр (первичный преобразователь) и,
как правило, вторичный преобразователь, с помощью которого выра-
батывается электрический аналоговый сигнал, пригодный для после-
дующих преобразований. Следующим элементом рассматриваемой
цепочки являются аналоговый операционный блок, с помощью кото-
рого могут осуществляться такие операции, как усиление или ослаб-
ление электрического сигнала, его нормировка, аналоговая фильтра-
ция и т.п. И наконец, сигнал с выхода операционного блока поступает
на вход аналого-цифрового преобразователя (АЦП), где непосредст-
венно осуществляется перевод аналоговых значений в цифровую
форму с последующей записью полученных отсчетов в соответствую-
щий файл компьютера. При многоканальных измерениях, когда один
АЦП по очереди обслуживает несколько измерительных каналов, в
рассматриваемой цепочке должен дополнительно присутствовать ана-
логовый коммутатор (мультиплексор).

Каждый из рассмотренных элементов обладает определенными мет-
рологическими свойствами, которые должны оговаривается в техниче-
ских описаниях (паспортах) тех конкретных блоков, приборов, моду-
лей, с помощью которых практически производятся перечисленные
выше операции. Их учет является, конечно, обязательным с тем, чтобы
еще на стадии проектирования обеспечить получение необходимых
метрологических характеристик всей измерительной системы.

Далее особое внимание будет уделено собственно влиянию на
метрологические характеристики ИИС в целом самого аналого-циф-
рового преобразования. Такое влияние может иметь место даже при
гипотетическом использовании идеальных с точки зрения мегрологии
элементов измерительного тракта. Данное рассмотрение важно по
двум причинам:

1.	Неверный выбор параметров аналого-цифрового преобразования
может привести к появлению погрешностей, принципиально неустра-
нимых, какими бы изощренными методами не производилась после-
дующая обработка информации.

2.	Анализ воздействия аналого-цифрового преобразования может
повлиять на выбор характеристик других элементов измерительного
тракта, в частности на выбор характеристик аналогового операцион-
ного блока.

Теоретически аналого-цифровое преобразование (АЦП) включает в
себя:

дискретизацию во времени;

квантование по уровню.

Дискретизация во времени представляет собой линейную операцию
взятия отчетов процесса х(1) в дискретные моменты времени I = кД, где
А — интервал дискретизации. В результате будет получен дискретный
ряд значенийх(кК), к= 1, 2, ... (рис. 6.8).

Ясно из физических соображений, что при дискретизации вполне
возможна потеря полезной информации о тех или иных особенностях
процесса, а значит, и о некоторых свойствах объекта исследования.

Квантование по уровню является принципиально нелинейной опе-
рацией, которую можно представить в виде прохождения аналогового
сигнала через статический нелинейный элемент с характерной ступен-
чатой функцией преобразования (рис. 6.9, а).

Рис. 6.8. Дискретизация случайного процесса
Рис. 6.9. Квантование по уровню:

а — характеристика квантующего элемента; б — погрешность квантования по уровню

Основным параметром такого квантующего элемента (квантова-
теля) является шаг квантования по уровню с}. Квантование по уровню
всегда сопровождается появлением отклонений значений квантован-
ного по уровню сигнала хд(1) от исходного аналогового х(/)_ Эти откло-
нения сб,(/) = х(1) - Хд(1) обычно называют шумом квантования по
уровню (рис. 6.9, б).

В конечном итоге после АЦП получаем дискретный ряд квантован-
ных значений Хд(кД), к~ 0, 1,2, ..., которые и будут затем использо-
ваться при последующей обработке на компьютере.

Проанализируем последовательно влияние дискретизации и кван-
тования на свойства анализируемых сигналов. В общем случае степень
такого влияния зависит не только от значений А и но и от ряда дру-
гих факторов. В их число входят:

вид анализируемого сигнала и его те или иные особенности;

разновидность рассматриваемой задачи обработки;

конкретный выбранный алгоритма обработки.

Рассмотрим ряд типичных вариантов. При этом будем считать, что
погрешность складывается из двух компонент е^ и е^, где е^ —
погрешность, обусловленная дискретизацией во времени, а е6/ — кван-
тованием по уровню исходного сигнала. При таком подходе, конечно,
оказывается неучтенной составляющая погрешности преобразования,
обусловленная совместным влиянием двух отдельных видов преобра-
зования; однако в первом приближении этим обстоятельством можно
пренебречь.

Начнем с анализа погрешности е^:

1.	Исследуемый процесс а(/) — стационарный случайный. Решае-
мая задача — вычисление одномерных статистических характеристик
(тх, <52Х,/Х(х), Рх(х) и т.п.) по дискретным отчетам. В данном случае,
если принять, что время наблюдения Т бесконечно велико, дискретиза-
ция во времени не приводит к появлению дополнительной погрешно-
сти

2.	Процесс л(7), как и ранее, стационарный случайный. Определяе-
мые характеристики — корреляционная функция и спектраль-
ная плотность У^со).

Здесь проблема выбора шага дискретизации А уже весьма сущест-
венна. Несложно показать, что значения корреляционных функций
исходного и дискретизированного процессов совпадают в дискретных
точках т = к Ах, к = 0, ±1, ±2, ... Если исследователь желает по этим
точкам построить непрерывную кривую корреляционной функции, т.е.
аналог /?д4т) для непрерывного т, то он вынужден воспользоваться
тем или иным способом интерполяции. При этом, конечно, появится
погрешность, зависящая от выбора шага А, вида корреляционной
функции	а также от используемого способа интерполяции.

Наиболее часто применяется линейная интерполяция. Тогда погреш-
ность восстановления непрерывной кривой /?хх(т) остается в боль-
шинстве случаев приемлемо малой, если шаг дискретизации удовле-
творяет условию

Д = тм.Д20-50),	(6.24)

причем меньшее значение в знаменателе соответствует монотонному
характеру затухания корреляционной функции, а большие — корреля-
ционным функциям колебательного характера.

Если рассмотреть спектральную плотность (со) дискретного

сигнала х^1), то для нее имеет место следующее соотношение, связы-

(со) со спектральной плотностью исходного непрерыв-

вающее 8Х^

ного процесса х(1):

(6.25)

I = - СЮ
со) представляет собой сумму бесконечного

Следовательно, ^х^(

числа копий спектральной функции *$х^(со), сдвинутых по шкале час-

тот на ±2л/А, ±4л/А и т.д. Можно ли в такой ситуации, зная ^^(со),

однозначно определить Л^со), зависит от конкретных спектральных
свойств сигнала х(/). Если предположить, что это сигнал с ограничен-
ным спектром, т.е. $ху(со) = 0 для I со | > Год, и шаг дискретизации А
выбрать, исходя из условия

сор < л/А,

(6.26)

то функция »^у^(со)

будет состоять из отдельных неперекрываю-

щихся частей. Используя затем, например, идеальный низкочастотный
фильтр с верхней граничной частотой л/А, можно выделить неиска-
женную функцию	Ясно, что для сигналов с ограниченным

спектром при правильном выборе шага дискретизации в соответствии
с (6.26) операция дискретизации, в принципе, не приводит к появле-
нию погрешности в определении спектральной плотности У^со).

Реальные сигналы всегда имеют неограниченный спектр. Поэтому
обязательно будет наблюдаться явление наложения частот, заклю-
чающееся в том, что исследователь не может различить составляющие
2 л 4 л

сигнала с частотами со, — ± со, — ± со и т.д. В этом случае при любом

способе восстановления значений спектральной плотности по функ-

ции

будет иметь место погрешность. Поскольку реально

5^(со) есть затухающая функция частоты, эта погрешность будет тем
меньше, чем меньше А, но полностью устранить погрешность невоз-
можно. Следует подчеркнуть, что процесс дискретизации не эквива-
лентен фильтрации сигнала х(1). Если, например, имеет место сумма
узкополосного полезного сигнала х(1) и широкополосной случайной
помехи е(1), то было бы неверным выбирать шаг А, обращая внимание
лишь на частотные свойства полезного сигнала. Если ширина спектра
помехи ^(со) достаточно велика, то после дискретизации вследствие
явления наложения частот ее мощность в интервале частот | со | < л/А
резко возрастет и погрешность 8^ увеличится. Поэтому надо или выби-
рать А с учетом свойств помехи, или, что более правильно, осуществ-
лять предварительную аналоговую фильтрацию сигнала, с тем чтобы
отсечь частоты выше л/А.
3.	Процесс х(1) — стационарный случайный. Решается задача
интерполяции, т.е. восстановления непрерывного процесса по дис-
кретным отсчетам.

Можно показать, что погрешност ь 8^ при решении задачи интерпо-
ляции зависит от статистических свойств процесса х(1), а именно от
7?^Дт) или	и способа интерполяции .данных или, иными сло-

вами, характеристик используемого интерполирующего фильтра Если
х(1) есть процесс с ограниченным спектром (5^-Дсо) = 0 при I со | > сво),
то такой процесс можно представить в виде:

Соотношение (6.27) устанавливает связь между непрерывными и
дискретными представлениями процесса х(1) и составляет суть тео-
ремы Котельникова о дискретных отсчетах. Эта теорема показывает
принципиальную возможность решения задачи интерполяции без
погрешности (е^ = 0) для процессов с ограниченным спектром, если
шаг дискретизации Д < л/со0. Очевидно, что условия теоремы Котель-
никова формально совпадают с условиями восстановления спектраль-
ной плотности без погрешности по ее дискретному аналогу, хотя, на
первый взгляд, это совершенно разные задачи.

Реальные сигналы, всегда имеющие неограниченный по частоте
спектр, естественно, восстанавливаются с погрешностью, причем воз-
можно построение оптимального интерполирующего фильтра, мини-
мизирующего эгу погрешность. Анализ показывает, что линейная
интерполяция, несмотря на свою простоту, как правило, дает весьма
хорошие результаты, если шаг дискретизации обеспечивает прием-
лемо малые искажения <$ху(со) из-за наложения частот.

4.	Процесс х(/) — известная детерминированная функция. Реша-
ется задача интерполяции по дискретным отсчетам.

В данной постановке задача является классической задачей теории
интерполяции. Для различных типов интерполяции известны фор-
мулы, связывающие число отсчетов А на интервале интерполяции Т и
заданную погрешность интерполяции е^, если известен вид интерпо-
лируемой функции или хотя бы ее некоторые аналитические свойства
(табл. 6.1).
Таб ли ца 6.1

Значения интервала дискретизации по времени для разных типов интерполяторов

Тип интерполяции	Интерполятор		
	нулевого порядка	первого порядка	второго порядка
Шаг дискретизации Д	|х (01тах	1 8еЛ 4к'(01тах	2,531-		

Зная, хотя бы приближенно, максимально возможную скорость
изменения значений анализируемого процесса и задавшись допусти-
мой ошибкой е^, нетрудно найти и необходимый шаг дискретизации Д.
Укажем также, что, как и в предыдущем варианте, линейная интерпо-
ляция, как правило, дает весьма хорошие результаты.

В целом можно сказать, что задача выбора шага дискретизации во
времени является достаточно сложной. Для ее успешного решения
необходима определенная априорная информация, и, чем более пол-
ной будет эта информация, тем точнее может быть осуществлен выбор
Д. При недостаточной полноте такой информации определение шага Д
производится методом последовательных приближений в сочетании с
экспериментальной проверкой получаемых результатов.

В случае комплексной обработки экспериментальных данных зна-
чение шага дискретизации находится исходя из той характеристики,
которая требует наиболее частого съема информации. Пристальное
внимание должно быть также обращено на выбор оптимальных алго-
ритмов расчета требуемых характеристик и восстановления аналого-
вых сигналов, если это необходимо для решения поставленной иссле-
довательской задачи. В дальнейшем без потери общности будем
считать Д = 1, а значения текущего отсчета времени 1= Ак = к.

Рассмотрим теперь влияние квантования по уровню, т.е. погрешно-
сти Е'
ч

1.	Сигнал х(1) — произвольный процесс (детерминированный или
случайный). Решается задача интерполяции по квантованным данным.

В рассматриваемом случае независимо от используемого метода
восстановления сигнала практически всегда будет присутствовать
погрешность е^. Справедлива оценка сверху для этой погрешности:

е9<|9/2|.	(6.28)

2.	Процесс х(1) — стационарный случайный. Вычисляемая характе-
ристика — функция плотности распределения вероятностей.
Для данного варианта существуют условия восстановления кривой
функции плотности без погрешности по квантованным данным. Они
формулируются в виде так называемой первой теоремы квантования
по уровню. Однако с практической точки зрения эта теорема особого
интереса не представляет. При оценивании/у(х), как это будет ясно из
дальнейшего, все равно приходится осуществлять операцию группи-
рования данных по интервалам длиной Ау. При этом желательно,
чтобы значение Ад- было кратно шагу квантования ср в особенности
при «грубом» или близком к таковому квантованию по уровню. Под
«грубым» понимается квантование, когда число уровней квантования

у	— X

л л шах ппп Л г л /Г	1

М=------------ невелико (М= 2—10).

ч

3.	Процесс х{1) — стационарный случайный. Определяются одно-
мерные статистические характеристики — начальные и центральные
моменты произвольного порядка.

Решение задачи вычисления моментных характеристик случайных
процессов по квантованным значениям х(1) также может быть найдено
с нулевой погрешностью, если выполнены условия так называемой
второй теоремы квантования по уровню. Как и первая теорема, она
достаточно абстрактна, но в ряде случаев может оказаться практиче-
ски полезной. Это связано с тем, что при выполнении условий второй
теоремы шум квантования по уровню подчиняется равномерному в
диапазоне от -с//2 до +с//2 распределению и статистически независим
от исходного квантуемого процесса. И хотя на практике условия вто-
рой теоремы не выполняются, данное следствие зачастую достаточно
точно соблюдается даже при весьма «грубом» квантовании по уровню.
Отсюда вытекает практическая возможность коррекции моментных
характеристик, определенных для квантованных переменных с тем,
чтобы уменьшить погрешность вычисления искомых параметров
исходного аналогового процесса.

Такая коррекция производится с помощью поправок, известных как
поправки Шеппарда. В частности, справедливы следующие соотно-
шения:

2	2	2

тх = тх; (5Х = <зх+ч /12.

ч	ч

Если число уровней квантования М> 30, то с приемлемой для прак-
тики точностью справедлива оценка относительной погрешности кван-
тования по уровню при вычислении центральных моментов второго—
четвертого порядков: \е \ = |е |/<зх~ 1/М, где I — порядок моментной
характеристики (/ = 2—4). При вычислении корреляционных функций
использование квантования с числом уровней М> 30 вообще приводит
к практическому отсутствию погрешности для всех т > 0.

В заключение отметим, что проблема выбора шага квантования д
стоит особенно остро при построении специализированных устройств,
где за счет квантования на малое число уровней удается существенно
упростить техническую реализацию устройства. Если же обработка
информации производится на ЭВМ, то, как правило, особых сложно-
стей в выборе не возникает. Стандартные аналого-цифровые преоб-
разователи с числом уровней квантования 256—1024 обычно обеспе-
чивают допустимо малую погрешность, обусловленную квантованием
по уровню практически для всех возможных характеристик процесса
х(1), если, конечно, размах изменения сигнала на входе АЦП не слиш-
ком узок по сравнению с паспортным диапазоном входного сигнала
преобразователя. Иными словами, относительное значение шага кван-
тования по уровню = ЛС7(2?7ад'), где Д[/— диапазон изменения ана-
лизируемого сигнала х(1) на входе АЦП с разрядностью п, должно
быть достаточно малым (по крайней мере, < 0,05).

6.3. Предварительная обработка сигналов

Основное назначение предварительной обработки — повышение
качества и достоверности исходной информации, приведение ее к
виду, позволяющему обоснованно использовать те или иные алго-
ритмы последующей обработки.

Исследуемый сигнал Ц7) может быть, как правило, представлен в
виде суммы нескольких независимых компонент:

Ц/) = х(0 + <р(/) + е(1) + 1(1),
где х(1) — стационарный случайный процесс; фЦ) — детерминирован-
ная функция времени; е(1) — широкополосная случайная помеха,
/(/) — импульсная составляющая. В зависимости от физической сути
исследовательской задачи полезная информация может содержаться в
любой из перечисленных компонент или их комбинации. Тогда все
остальные будут играть роль помехи. Так, например, если, по мнению
исследователя, содержательная информация имеет место в процессе
%(/), то присутствие <р(/) ведет к нестационарности г(1) по математиче-
скому ожиданию. Тогда функция <р(/) может интерпретироваться как
некоторый тренд (или дрейф) значения тх, который для последую-
щего анализа должен быть исключен.
В другой ситуации наибольший интерес вызывает именно тренд
<р(/), который должен быть выделен на фоне случайных помех, т.е. в
присутствии х(1) или/и е(1). В ряде случаев необходимо фиксировать
положение импульсных сигналов 1(1) на шкале времени или форму
отдельных импульсов на фоне возможных случайных помех х(/), еЦ) и,
быть может, дрейфовой составляющей <р(/). Однако /(/) зачастую пред-
ставляет собой импульсную помеху, от которой желательно изба-
виться; кстати, такой вариан г на практике имеет место наиболее часто,
в связи с чем далее полагается /(/) = 0. Наконец, иногда исследователю
известно, что информативная часть сигнала содержится, например, не
во всех частотных составляющих процесса х(1), а сконцентрирована в
некотором частотном диапазоне; именно его следует выделить для
последующей обработ ки.

Таким образом, возможно весьма большое число вариантов предоб-
работки. Далее будут рассмотрены только наиболее характерные и
часто используемые, а именно:

цифровая фильтрация;

обнаружение аномальных наблюдений;

выявление наличия трендовой составляющей наблюдаемого про-
цесса;

выделение и параметрическое оценивание характеристик тренда;

выделение тренда с помощью цифровых фильтров;

устранение трендовой составляющей.

Цифровая фильтрация. Цифровая фильтрация предназначена для
увеличения отношения сигнал/шум. Она может использоваться для
подавления высокочастотной помехи, если частота дискретизации
выбрана слишком большой по отношению к верхней граничной час-
тоте исходного сигнала. В ряде случаев используются полосовые
фильтры для выделения наиболее информативной части сигнала.
Вопросы синтеза цифровых фильтров различных типов (рекурсивных
и нерекурсивных; низкочастотных, высокочастотных, полосовых,
заграждающих и т.п.) подробно освещены в соответствующей литера-
туре (см., например, [41]) и поэтому здесь рассматриваться не будут.

Обнаружение аномальных наблюдений. Под аномальными пони-
маются наблюдения, достоверность которых сомнительна. Причины
возникновения такого рода наблюдений обычно связаны со сбоями в
работе аппаратуры (в частности, АЦП), влиянием мощных импульс-
ных помех, а при ручном вводе данных — с ошибками оператора.

В некоторых случаях аномальные наблюдения могут быть легко
обнаружены визуально по осциллограмме процесса или с помощью
оценки функции плотности вероятности (см. § 6.4) как точки, местопо-
ложение которых резко отличается от размещения основной массы
экспериментальных точек. Известны стандартные статистические
процедуры выявления таких выделяющихся точек, основанные на ана-
лизе максимального или минимального значения, зафиксированного в
данной реализации. Однако все эти процедуры применимы только для
случая независимых наблюдений и, следовательно, их применение для
коррелированных процессов некорректно.

Можно предложить иной подход, считая аномальным любое
наблюдение, нарушающее гладкость траектории случайного процесса,
т.е. представляющее собой единичный выброс. При этом в случае
положительного выброса в данный момент времени I две последова-
тельные первые разности

И У1(х/+1)=х^+1-х/

должны принимать достаточно большие абсолютные значения и иметь
обязательно разные знаки: УДх^) > 0, Х^Дх^. ]) < 0, а при отрицатель-
ном выбросе знаки указанных разностей будут противоположными.
Таким образом, аномальным наблюдениям на плоскости (УДхД
\/ |(а'/+ |)] будут соответствовать точки, расположенные во II и IV квад-
рантах и достаточно удаленные от начала координат. Понятие доста-
точной удаленности той или иной точки можно трактовать следующим
образом: расположение вне эллипса рассеяния, построенного для пер-
вых разностей по всей выборке для достаточно высокого значения
уровня доверительной вероятности р (например, для р = 0,99,
р = 0,995). Детальный анализ показывает, что данный способ доста-
точно эффективен при относительно больших выборках и малом коли-
честве аномальных наблюдений.

На рис. 6.10, а приведена реализация длиной V = 1100 модельного
случайного процесса с единичной дисперсией и корреляционной
функцией рХх(к) = (1 + 0, 11&|)  ехр(-0, 11&|), а на рис. 6.10, б — та
же реализация, но с измененными значениями процесса в точках

50, V = 415, V = 600 (изменение на +0,25) и V = 200, V = 340,
ЛГ= 800 (изменение на -0,25).

В силу малости этих искажений их наличие практически невоз-
можно обнаружить ни на исходной реализации, ни на реализации пер-
вых разностей, представленных (в нормированном виде) на рис. 6.10, в
и 6.10, г. Однако они сразу же проявляются на плоскости [Х7]^),
\7|(х/4 1)1 (рис. 6.11, б), где аномальные точки оказались вне эллипса
рассеяния (р = 0,995). Для исходной реализации никаких точек вне
эллипса рассеяния не наблюдается (рис. 6.11, а). Отметим также, что
аномальной точке, имеющей место в дискретное время I, может сопут-
Рис. 6.10. Модельный процесс:

а — исходная реализация; б — реализация с аномальными наблюдениями; в — первые раз-
ности исходных наблюдений; г — первые разности с аномальными наблюдениями

ствовать дополнительная точка в момент времени / + 1 как результат
влияния указанного аномального наблюдения, если разности \7](х/ + | )
и ?1(хг + 2) оказались имеющими различные знаки; такая сопутствую-
щая точка вряд ли является аномальной.

Выделенные указанным образом аномальные точки должны быть
заменены на новые, значения которых определяются как результат
усреднения нескольких (чаще всего двух) соседних точек. Отметим,
что проблема выделения и устранения влияния аномальных наблюде-
ний достаточно деликатна и, по сути, требует сугубо индивидуального
рассмотрения каждого такого наблюдения с тем, чтобы, исключая
часть наблюдений как аномальные, не потерять ценную информацию
об особенностях и тонких свойствах изучаемого процесса.

Выявление наличия трендовой составляющей. Наличие тренда
может быть установлено в ряде случаев чисто визуально непосредст-
венно с помощью графика реализации исследуемого процесса. Если
трендовая составляющая <р(?) достаточно интенсивна по сравнению со
стохастическими компонентами х(/) и е(/), она обычно четко просле-
живается в виде систематического изменения некоторого центра теку-
а)

Рис. 6.11. Эллипсы рассеяния:

а — без аномальных наблюдений; б — с аномальными наблюдениями (6 точек)

щих значений При этом, как правило, удается понять и характер
тренда — является ли он монотонной функцией времени или носит
колебательный характер, т.е. в определенном смысле близок к перио-
дическому.

При относительно большой мощности стохастической компоненты
г(0 визуальное обнаружение тренда становится затруднительным, и
необходимо использовать формальные математические подходы.
Большинство из них основано на процедурах проверки определенной
статистической гипотезы с помощью подходящего критерия непара-
метрического типа. Такие критерии не опираются на сведения о воз-
можном виде функции плотности вероятности анализируемой случай-
ной величины, что очень важно именно на этапе предобработки, когда
такая информация зачастую отсутствует.

Рассмотрим два таких критерия. В каждом из них в качестве прове-
ряемой (нулевой) рассматривается гипотеза об отсутствии системати-
ческого тренда на фоне случайной составляющей типа дискретного
шума с независимыми отсчетами.
_(^) =
^тед

Критерий серий, основанный на медиане. Расположим члены ана-
лизируемого дискретного временного ряда г2, ..., в порядке воз-
растания, т.е. образуем по наблюдениям вариационный ряд гт,п =
= г(1)> г(2> • 2(М) ~ 2тах- Определим выборочную медиану по формуле

г(#+1)/2’ если М нечетно;

^(^/2 + 2^2 +1)> если четно-

После этого образуем серии из плюсов и минусов, на статистиче-
ском анализе которых основана процедура проверки рассматриваемой
гипотезы. Будем вместо каждого его члена I = 1, 2, ..., ТУ, ставить
плюс, если г(1) > 2^, и минус, если 2(0 < 2^а (члены временного
/ди

ряда, равные , в полученной таким образом последовательности
плюсов и минусов не учитываются).

Образованная последовательность плюсов и минусов характеризу-
ется общим числом серий и протяженностью самой длинной серии
т(7У). При этом под серией понимается последовательность подряд
идущих плюсов и подряд идущих минусов; в частном случае серия
может состоять только из одного плюса или только из одного минуса, и
тогда ее длительность равна единице.

Очевидно, что если анализируемая последовательность 2}, 22,
состоит из статистически независимых наблюдений, случайно варьи-
рующихся около некоторого постоянного уровня, то чередование плю-
сов и минусов в построенной указанным выше способом последова-
тельности должно быть более или менее случайным. Эта
последовательность не должна содержать слишком длинных серий
подряд идущих плюсов или подряд идущих минусов, и соответственно
общее число серий не должно быть слишком малым. Поэтому в дан-
ном критерии целесообразно рассматривать одновременно два крити-
ческих значения статистик л(ТУ) и ч,(М).

Можно сформулировать следующее приближенное правило про-
верки гипотезы: если хотя бы одно из неравенств

г(7У) > [^+ 2-1, 9б7тУ- 1)

т(7У) < [1,43 1п(ТУ+1)]
окажется нарушенным, то нулевая гипотеза отвергается с вероятно-
стью ошибки, заключенной между 0,05 и 0,0975 и, следовательно, под-
тверждается наличие зависящей от времени неслучайной составляю-
щей (тренда) анализируемого временного ряда.

Критерий «восходящих» и «нисходящих» серий. Этот критерий
улавливает постепенное смещение (по ходу выборочного обследова-
ния) среднего значения в исследуемом распределении не только моно-
тонного, но и более общего, например периодического, характера.

Так же как и в предыдущем критерии, исследуется последователь-
ность знаков — плюсов и минусов, однако правило образования этой
последовательности иное. Исходным пунктом, как и раньше, является
анализируемая последовательность результатов наблюдения, т.е. ряд
г|, 22, ..., гдг; на /-м месте вспомогательной последовательности ста-
вится плюс, если 2(1 + 1) - г(/) > 0, и минус, если г(/ + 1) - г(г) < 0 (если
два или несколько следующих друг за другом наблюдений равны
между собой, то принимается во внимание только одно из них). Оче-
видно, последовательность подряд идущих плюсов будет соответство-
вать тогда возрастанию результатов наблюдения (восходящая серия), а
последовательность минусов — их убыванию (нисходящая серия).
Критерий основан на том же соображении, что и предыдущий: если
выборка случайна (наблюдения независимы и одинаково распреде-
лены), то в образованной последовательности знаков общее число
серий не может быть слишком малым, а их протяженность (измерен-
ная в количестве подряд идущих плюсов или минусов) — слишком
большой.

В частности, при уровне значимости 0,050—0,0975 количественное
выражение этого правила имеет вид

П/О П 1 ОА /16^-291
\_^2п ~ 1) ~ 96л/—90—

т(7\0 < т0(7У),
где под г(7У) и т(7У) понимается соответственно общее число серий и
количество подряд идущих плюсов или минусов в самой длинной
серии. Величина т0(7У) в зависимости от К определяется следующим
образом: при ТУ < 26 имеем т0 = 5, при 26 < И < 153 имеем т0 = 6 и,
наконец, если 153 < ТУ < 1170, используем т0 = 7. Если хотя бы одно из
указанных выше неравенств окажется нарушенным, то гипотезу об
отсутствии тренда следует отвергнуть и признать, что в анализируе-
мой временной последовательности присутствует неслучайная, зави-
сящая от времени / компонента.

Оба рассмотренных критерия, как отмечалось, в качестве предпо-
сылки используют предположение о статистической независимости
стохастической компоненты временного ряда, что мало реально, когда
речь идет об анализе процессов. Чтобы, тем не менее, можно было
использовать рассмотренные критерии, предлагается следующий
прием: исходную реализацию разбивают на Л' равных интервалов, при-
чем длительность каждого должна быть не менее, чем максимальный
интервал корреляции тм к. Далее для каждого такого интервала вычис-
ляется среднее значение, которое затем и рассматривается в качестве
элемента нового вспомогательного временного ряда, т.е. элемент 2, в
последовательности г2, ..., фигурирующей в рассмотренных
критериях, в данном случае есть среднее значение наблюдаемого про-
цесса в /-м интервале (г = 1, 2, ..., ТУ). Хотя такое разбиение, строго
говоря, не обеспечивает статистическую независимость элементов
последовательности 2^,22, ..., однако их коррелированность значи-
тельно уменьшается по сравнению с коррелированностью элементов
исходного временного ряда, что позволяет с достаточной степенью
обоснованности использовать вышеприведенные критерии.

Отметим также, что, если вместо интервальных средних значений
самого временного ряда использовать средние значения их квадратов,
эти критерии оказывается возможным использовать для обнаружения
тренда процесса, связанного с изменением его дисперсии.

Выделение и устранение тренда. Следующим шагом после уста-
новления факта наличия тренда (дрейфа) является его выделение на
фоне стохастической компоненты анализируемого сигнала [далее
будем считать, что этой стохастической компонентой является х(/)].
Такое выделение может быть произведено по-разному, а именно с
использованием параметрического подхода или с помощью подходя-
щего цифрового фильтра.

При использовании параметрического подхода предполагается, что
вид функции ф(/), описывающей трендовую составляющую сигнала
2(1), известен с точностью до параметров 0О, 0|, ..., Ор, т.е. что г(1) =
= <р(/; 0О,	..., 0/;) + х(1). Тогда задача сводится к задаче оценивания

неизвестных параметров 0О, 0], .0р по Аг наблюдениям временного
ряда 21, г2, ..., 2^ а / — дискретное время, соответствующее номеру
отсчета. Данная задача по сути является задачей получения регрессион-
ной зависимости, детально рассмотренной в научной литературе [39].

Чаще всего используется линейная параметризация функции <р(0,
когда она представляется в виде разложения по некоторой системе
базисных функций:
<р(/;ео,е1,...,0р) = 2ело). (6.29)

т = О

Выбор базисных функций \у„г(/) достаточно произволен и во мно-
гом зависит от априорной информации о характере тренда. Исполь-
зуют, в частности, разложения по экспоненциальным функциям, сину-
сам и косинусам и т.п. Однако наиболее часто тренд аппроксимируют
с помощью полинома степени р. При такой аппроксимации

ф(г; е0, е2,ер = р/.	(б.зо)

тп = О

Оценивание параметров 0О, 61, ..., 0^ в данном случае обычно про-
изводится с помощью стандартного метода наименьших квадратов и
сводится к решению системы линейных алгебраических уравнений. В
матричной форме будем тогда иметь

т -1

(Т Т)

т->
Т 2,

(6.31)

где О = ||0О, бр 0/7||Т — вектор-столбец оцениваемых параметров
полиномиального дрейфа; 2Т = ||г15 г2, ...,2^|| — вектор-столбец

отсчетов процесса ?(/); Т — матрица следующего вида:

1 1 Г ... 1Р

1 2 22 ... 2Р

1 ТУ2 ... 2/

Для простейшего линейного тренда, когда <р(/; 0О, ©1) - 00 + ©1Л
можно, используя (6.31), сразу записать формулы, по которым оцени-
ваются коэффициенты 0О, 0]:

2(21У + 1)2 2,-6 2'2;	12	<2,-6^+1) 2 2,

Л = _________= 1	1=]	. л =	/=1____________

0	2У(2У-1)	’ 1	7У(2У- 1)(2У+1)

Реально для аппроксимации функции тренда редко используют
полиномы выше третьего порядка.
В некоторых случаях ф(7) представляет собой периодическую
функцию в простейшем варианте это синусоида:

ф(/) = <78т(со0Г + у),	(6.32)

где в общем случае подлежат определению по экспериментальным
данным параметры а, со0, ф. Иногда, однако, частота со0 или период
Тц = 2л/со0 известны. Так, например, в ряде задач экономического
характера или при изучении природных явлений То = 12 мес, в связи с
чем тренд вида (6.32) зачастую именуют сезонным. Для получения
оценок параметров а, соо, ф приходится уже использовать методы
нелинейного оценивания.

Во многих случаях трендовая составляющая процесса хотя и явля-
ется гладкой функцией, но предложить ее удовлетворительную
аппроксимацию с помощью достаточно простых функций времени
оказывается возможным лишь на сравнительно коротких интервалах,
но не на всей анализируемой реализации. В этом случае предпочтение
должно быть отдано сглаживающим процедурам непараметрического
типа, когда выделение ср(/) осуществляется с помощью специально
подобранного цифрового фильтра.

Под гладкой функцией, как обычно, подразумевается функция,
которая на некотором не слишком малом интервале может быть адек-
ватно представлена полиномом достаточно низкой степени. Такое
определение является по сути следствием известной теоремы Тейлора.
При этом полиномы, аппроксимирующие функцию тренда, могут быть
совершенно различными для разных временных интервалов, т.е. при
таком подходе используется локальная аппроксимация тренда.

Выделение тренда производится путем подачи исследуемой реали-
зации г2, ..., гдг на вход фильтра, на выходе которого и должна быть
получена — конечно, с той или иной степенью приближения — трен-
довая составляющая. При этом чаще всего используются фильтры
скользящего среднего, выходной сигнал которого образуется в соот-
ветствии с формулой

Ф,= 22	+ г’. = т + 1,	,	(6.33)

5 = -т

где — коэффициенты сглаживающего фильтра (коэффициенты дис-
кретной весовой функции). Их значения определяются, исходя из
условия получения несмещенной оценки текущего значения тренда
(в данной точке реализации /), если локальные свойства трендовой
составляющей описываются полиномами порядка не выше р (р =
2, ...), а стохастическая компонента подавляется при этом в макси-
мальной степени. Найденные, исходя из этих условий коэффициенты,
обладают следующими свойствами:

т

=	1,2, ...,т;	= 1 .

л’ = -т

Кроме того, при фиксированном т их значения одинаковы как для
некоторого аппроксимирующего полинома степени р, так и для поли-
нома степени на единицу меньше (т.е. для степени р — 1).

Параметр т фильтра, задающий ширину сглаживающего окна (2т + 1),
выбирается, исходя из предполагаемых свойств функции ф(/). Оче-
видно, что для получения четкого представления о трендовой состав-
ляющей, она должна достаточно точно аппроксимироваться полином
степени р на каждом текущем интервале длиной (2т +1). При прочих
равных условиях, чем более низкочастотной представляется функция
тренда, тем больше должно быть значение т. На практике зачастую
значение т подбирают методом проб и ошибок до получения резуль-
тата, удовлетворяющего исследователя.

Известны таблицы весовых коэффициентов для разных значений т
и р (фрагмент ее приведен, например, в [41]). На практике чаще всего
используют сглаживание полиномом степени р = 3—4. Для этого слу-
чая коэффициенты иЛ. могут быть найдены с помощью соотношения

3(3/л2 + Зш-1)-15? л ,

И> = —-----7777----ГТ77---77 '>	5 = 0, 1, ..., т. (6.34)

(2т - 1)(2л? + 1)(2/л + 3)	4	7

Рассчитанные по формуле (6.34) коэффициенты для значений
т < 10 приведены в табл. 6.2.

Таблица 6.2

Коэффициенты сглаживающего фильтра

иг	И/О	ИД		И'з	ИД	ид	^6	ИД	^8	и^9	И/10
2	0,486	0,343	-0,086					—			
3	0,333	0,286	0,143	-0,095	—	—	—	—	—	—	—
4	0,255	0,234	0,169	0,061	-0,091	—	—	—	—	—	—
5	0,207	0,196	0,161	0,103	0,021	-0,084	—	—	—	—	—
6	0,175	0,168	0,147	0,112	0,063	0,000	-0,077	—	—	—	—
7	0,151	0,147	0,133	0,110	0,079	0,038	-0,012	-0,071	—	—	—
8	0,133	0,130	0,121	0,105	0,084	0,056	0,022	-0,019	-0,065	—	—
9	0,119	0,117	0,110	0,099	0,084	0,064	0,039	0,011	-0,023	-0,060	—
10	0,108	0,106	0,101	0,093	0,081	0,067	0,049	0,027	0,003	-0,025	-0,056
Каждый из методов выделения тренда имеет свои достоинства и
недостатки. Параметрическая модель дрейфа удобна для целей про-
гноза, но при ее построении возникает проблема выбора вида модели и
анализа ее адекватности. Цифровая фильтрация удобна, когда тренд
носит сложный характер, для описания которого трудно предложить
единую аналитическую модель. Однако здесь имеются свои сложности,
связанные с выбором ширины сглаживающего окна (параметра т).
Кроме того, следует помнить, что процедура сглаживания изменяет и
характеристики стохастической компоненты, что в ряде приложений
нежелательно.

Выделенная трендовая составляющая <р(/) может представлять
самостоятельный интерес для исследователя, являясь носителем
полезной информации. Однако во многих приложениях главная задача
состоит в определении вероятностных характеристик стохастической
компоненты х(1), когда ф(Ц интерпретируется как источник нестацио-
нарности. Тогда из наблюдаемого сигнала г(1) необходимо исключить
трендовую составляющую, приводя этот процесс к стационарному
виду. Такое исключение при уже найденной функции ф(/) элемен-
тарно:

х(1) = г(/) - ф(Ц .	(6.35)

Для метода цифровой фильтрации можно предложить и другой
подход, позволяющий сразу получить процесс х(/) без промежуточного
определения ф(/). Он основан на наличии простейшей связи между
коэффициентами 8 - 0, 1, ..., т, цифрового фильтра, выделяющего

*

тренд, и аналогичными коэффициентами ^,5 = 0, 1, .фильтра,
элиминирующего (исключающего) тренд и оставляющего (с некото-
рыми искажениями) компоненту х(/):

и>о = 1-и>о; гг5	8=\,...,т.	(6.36)

Кроме того, необходимо осуществить дополнительную перенорми-
ровку выходного сигнала фильтра, чтобы по возможности восстановить
значение дисперсии , искаженное, если при фильтрации использо-
ваны указанные в (6.36) значения коэффициентов. В результате можно
записать итоговое выражение, с помощью которого получается иско-
мый стационарный процесс х(1) или, точнее, временной ряд х(.
т

1 *

Х1 =   	Т~2	X	+ 5 =

(М/О) +2[(М'1) + ... + (™т) р = -т

1	т *

2	2	~	+ 5 ’

(1 -и'0)2 + 2[(и’1) + ... + (и^) ]5

I = т + 1, ...,ТУ— т.

Для исключения полиномиального тренда нелокального характера
также можно предложить подход без построения модели тренда вида
(6.30). Для этой цели разработан метод, получивший наименование
«Метод переменных разностей». Он основан на использовании разно-
стных операторов вида:

72^-) =У1^1(2/)) = У^-) - 7^.!);

V/2/) =	10/) “ ^р-\<?1- 1)-

Можно показать, что процесс, получающийся с помощью опера-
тора не содержит трендовой составляющей в виде полинома до
р-го порядка включительно. Следовательно, если такой тренд и суще-
ствовал в исходном процессе г(1), то в новом процессе, полученном
с помощью разностного оператора он уже будет отсутствовать.
С полученным таким способом случайным процессом тогда уже
можно обращаться, как со стационарными. Правда, следует помнить,
что использование разностных операторов приводит к изменениям
вероятностных свойств и стохастической компоненты х(/). Это требует
введения достаточно сложной коррекции в схему оценивания характе-
ристик процесса х(?). Поэтому чаще всего метод переменных разно-
стей используется не столько для удаления тренда, сколько для опреде-
ления степени р аппроксимирующего функцию <р(/) полинома. Для
этого, постепенно увеличивая порядок разностного оператора, пыта-
ются найти такое его значение р, при котором трендовая состав-
ляющая исчезает. После этого применяют описанный выше пара-
метрический метод выделения тренда при использовании модели
(6.30) с найденным значением р.

Для устранения сезонного тренда периода То можно также исполь-
зовать разностный оператор, но со сдвигом (лагом), равным 70:

V °(г,) = 21~Ъ-т0-

Вообще говоря, известно достаточно много других приемов выяв-
ления и устранения тренда, применяемых для различных частных
вариантов моделей процесса и дрейфа. Перечислим типичные разно-
видности:

мультипликативная модель наблюдаемого процесса, содержащего
дрейф, т.е. модель вида

40 = ф(0'40'40,
причем все входящие в нее компоненты положительны. Тогда данную
модель легко привести к рассмотренной ранее аддитивной форме
путем логарифмирования:

40 = 1ё ф(0 + 1ё 40 + 1ё 40;

мультипликативная модель дрейфа с аддитивной помехой, когда
40 — случайный процесс с нулевым математическим ожиданием,
представимый в виде

40= ф(0'40 + 40-

Здесь <р(0 — мультипликативный дрейф, приводящий к нестацио-
нарности процесса 40 по дисперсии, поскольку

2,.ч	2 ,	2

^(0 = Ф (0-^+ое,

где предполагается, что процесс х(0 и помеха е(0 некоррелированы и
тх = 0; тпе = 0. Задача выделения и устранения тренда может решаться
описанными ранее методами, но не по отношению к значениям х(0, а к
х2(0- Действительно, для математического ожидания процесса х2(0
имеем:

М{х2(0} = Ф2(О • су^+су2,
т.е. имеет место ситуация дрейфа математического ожидания процесса
4(0;

нелинейная модель процесса, в частности г(1) = Чфср^) + х(1) +
+ е(/)] или г(1) =	Очевидно, используя нелинейное пре-

образование вида г(1) = Ф[г(7)] = 4х 1 , приходим к рассмотренным
ранее случаям.

Известна группа нелинейных преобразований, называемых преоб-
разованиями для стабилизации дисперсии наблюдаемого процесса
(или преобразованиями Бокса—Кокса), когда каждое наблюдаемое
значение пересчитывается в соответствии с формулой

04С

С  1п(гг + а2), 04= 0,
где С — геометрическое среднее ряда г у + а2, 2 2 + а2> • • 7 К + а2:

С = [(^1 + а2)-(г2 + а2> • • 	+ а2)]1/7^;

константа а2 выбирается так, чтобы для любого сумма г, + а2 была
положительной; подбираемый параметр а! управляет степенью преоб-
разования (в частности, при 0С| = 1 получается исходный ряд).

6.4.	Статистический анализ случайных процессов

Типовой вариант статистического анализа случайных процессов
включает в себя экспериментальное определение (оценивание) указан-
ных ранее основных вероятностных характеристик. При этом предпо-
лагают, что анализируемый процесс х(1) относится к категории стацио-
нарных эргодических случайных процессов.

Произвольная оценка Од = 0д4л(О] некоторого вероятностного
параметра (характеристики) 0, вычисленная путем соответствующей
обработки реализации процесса х(1), заданного на временном интер-
вале (О, Г), или аналогичная оценка по дискретным отсчетам
Од = Од- (х15 х2, ..., д-д) является случайной величиной. Она обладает
определенными свойствами, зависящими от свойств исходного про-
цесса, алгоритма (метода) оценивания и длины реализации Т (числа
отсчетов или объема выборки Ы). В этом ее принципиальное отличие
от неизвестного оцениваемого параметра, являющегося неслучайным.
Именно поэтому для параметров и их оценок вводятся разные обозна-
чения — чаще всего для обозначения оценки произвольного параметра
используется знак Л, так что, например, параметру 0 соответствует
оценка Од1 = Од- Од (*1,х2, ---,-Уд).

Вероятностные свойства оценки, как и любой другой случайной
величины, могут быть описаны соответствующей функцией распреде-
ления вероятностей, теми или иными числовыми параметрами распре-
деления (математическим ожиданием оценки, ее дисперсией и т.п.).
Все такого рода характеристики зависят от вероятностных свойств
анализируемого процесса и длины реализации Т (объема выборки И).

Для оценивания одного и того же параметра, в принципе, можно
предложить различные оценки. Чтобы было можно их сопоставить и
использовать в некотором смысле наилучшие, в математической стати-
стике введены показатели качества оценивания, характеризующие точ-
ностные свойства оценок. Важнейшие из них опираются на понятия
несмещенности, эффективности и состоятельности [39]:
а)	оценка	х^) произвольного параметра 0 назы-

вается несмещенной, если при любом конечном 7/ математическое
ожидание оценки равно истинному значению оцениваемого пара-
метра, т.е. = 0. Разность

Д02У = Л/{6д}-0

(6-37)

называют смещением оценки Смещение Л Од определяет значение
систематической погрешности, имеющей место при оценивании пара-
метра 0. Для несмещенной оценки ДОдг = 0. Если Д0# Ф 0 при любом

конечном ТУ, но Нт Л0д<- 0, то такая оценка Од называется асимп-
тпотически не смещенной',

б)	оценка 0д произвольного параметра 0 называется эффективной,
если она среди всех прочих несмещенных оценок того же параметра
обладает наименьшей мерой рассеяния относительно истинного значе-

ния параметра 0 — наименьшей дисперсией оценки Л){ 0д } (или наи-

Од/

меньшим средним квадратическим отклонением о

"	?	~	2

Е>{0ту} = <4 =М{(0Д,-О)}.	(6.38)

Одг

Поскольку указанная дисперсия характеризует случайную состав-
ляющую погрешности оценивания параметра 0, эффективная оценка в
этом смысле является наилучшей. Показатель эффективности произ-
вольной оценки Од- параметра 0 может быть введен соотношением
е{0дг} = Е){0Лг}/П{0Лгэ}, где _О{0дгэ} — дисперсия эффективной
оценки. Ясно, что данный показатель изменяется в диапазоне от 0 до 1,
причем он равен единице при эффективной оценке. Если с {Од} < 1
для любого конечного АГ, но Нт с{ Од-} = 1,то оценка Од/ называется
7^—> оо
асимптотически эффективной',

в)	оценка 0д- произвольного параметра 0 называется состоятель-
ной, если при неограниченном возрастании объема выборки ТУ ее зна-
чение с полной мерой достоверности (с вероятностью 1) стремится к
своему истинному значению 0. Состоятельная оценка должна быть, по
крайней мере, асимптотически несмещенной, кроме того, для нее
справедливо выражение Нт Л {Од-} =0.

Д'—> сс

Известны общие методы, позволяющие во многих случаях решить
задачу нахождения хороших, с позиций указанных показателей каче-
ства, оценок для различных статистических параметров. Наиболее
распространенным из них является метод максимального правдоподо-
бия. Однако при анализе случайных процессов этот метод не находит
практического применения, поскольку для его использования, как пра-
вило, необходимо иметь больше информации о свойствах процессов,
чем ее содержится в самих оцениваемых характеристиках. Поэтому
при вычислении параметров случайных процессов наиболее распро-
страненным является использование базовых оценок.

Базовая оценка получается непосредственно из того соотношения,
которое служит исходным определением данной характеристики при
использовании усреднения во времени, если исключить в соответствую-
щей формуле предельные переходы. Свойства базовой оценки с позиций
точности оценивания характеризуют смещением и дисперсией. Однако
нахождение последней, вообще говоря, связано с определенными труд-
ностями. Это трудности того же рода, что и при получении эффективных
оценок: необходима существенная дополнительная априорная информа-
ция о вероятностных свойствах изучаемого процесса.

Учитывая данное обстоятельство, обычно используют следующий
подход к определению точности оценивания характеристик случайных
процессов [39]: находят общие зависимости между смещением ДОт,
дисперсией /){0т’} и интервалом анализа Т для случайных процессов
определенной разновидности (класса). Далее предполагают, что най-
денные зависимости остаются справедливыми — пусть сугубо при-
ближенно — и для анализируемого процесса. Впоследствии по мере
проведения анализа показатели точности оценивания могут быть скор-
ректированы. Существенным в рассматриваемом подходе является
выбор подходящей типовой модели случайного процесса, характерной
для широкого круга практических исследовательских задач. Далее
каждый раз будет специально оговариваться, для какой конкретной
модели получено то или иное соотношение. При этом основное внима-
ние будет уделено дискретным вариантам алгоритмов оценивания в
двух предельных вариантах:

а)	при малом шаге дискретизации А « тм к (высокой частоте дис-
кретизации /д), когда можно предполагать, что отсутствует сколько-
нибудь существенное наложение частот или же выполнено условие
(6.24); в этом варианте свойства дискретной оценки практически не
отличаются от свойств соответствующей оценки по непрерывной реа-
лизации на интервале Т (аналоговая оценка); далее для этого варианта
будем говорить, что это оценивание по коррелированной выборке —
основном варианте при цифровом анализе случайных процессов;

б)	оценка по дискретным отсчетам, когда Л > тм к, т.е. когда оценка
производится по некоррелированной выборке’, этот вариант удобен для
грубых прикидок при определении точности оценивания — прежде
всего для одномерных характеристик.

В любом варианте весьма важным моментом является информация
о значениях интервалов корреляции тм к, тк, тк кв. Такая информация
может быть получена на основании прошлого опыта, по результатам
аналогичных исследований других процессов аналогичной природы и
т.п. Для определения тм к можно воспользоваться приближенным соот-
ношением (6.19). Следует только помнить, что при использовании дан-
ного соотношения подсчет среднего числа пересечений уровня
математического ожидания процесса кривой х(1) должен произво-
диться либо непосредственно по аналоговой записи, либо при исполь-
зовании весьма высокой частоты дискретизации/^. Значения тк и тк кв
можно грубо оценить, воспользовавшись следующими соотноше-
ниями, которые, строго говоря, справедливы лишь для процессов с
экспоненциальной корреляционной функцией	= о^е :

тм.к — Зт.< — 6тк кв.	(6.39)

Дискретные аналоги указанных интервалов корреляции вводятся
достаточно очевидным образом:

= О[тмк/Л],
М.К	ь М.К -1 7

где — ближайшее большее целое значение;

*

т

-ОО	1	м к

тк = 2 + X Рхх(иА) х 2 + Е ;

п = 1	п = 1

*

т

. оо	. м.к

*	]	9	I	9

тк.кв Ч+ X р^Д) = ^+ I р^А)-
п = 1	п = 1

(6.40)

(6-41)
При достаточно малом значении Д, когда дискретные оценки
близки к аналоговым, т.е. оценивание производится по коррелирован-
ной выборке, справедливы приближенные равенства:

ТК ~	ТК.КВ ~ ТК. КВ^А-	(6-42)

Для различного рода грубых расчетов можно по-прежнему считать
справедливыми соотношения вида (6.39), т.е. полагать, что

* * *

тмк = Зт = 6т	(6.43)

Перейдем к систематическому рассмотрению вопросов оценивания
характеристик случайных процессов. Изложение будет проводиться
по единому плану, включающему в себя следующие позиции:

определение базовой дискретной оценки;

суждение о несмещенности и состоятельности базовой оценки;

расчет дисперсии базовой оценки для коррелированной выборки в
виде точной формулы (если она достаточно проста и полезна на прак-
тике) или в виде приближенного соотношения, позволяющего полу-
чить удовлетворительный результат для относительно больших Г; для
одномерных характеристик приводится также выражение для диспер-
сии оценки по некоррелированной выборке;

анализ формулы для расчета квадратичной относительной стати-
стической погрешности оценивания (относительная дисперсия
оценки) и ее вариант, удобный для практических расчетов; использова-
ние данного показателя позволяет получить более наглядное и хорошо
физически интерпретируемое представление о статистической
погрешности оценивания;

дополнительные замечания и комментарии, если таковые необхо-
димы.

Оценивание функции распределения вероятностей (интеграль-
ного закона распределения вероятностей)'.

а)	формально, следуя дискретному варианту соотношения (6.2),
имеем формулу для оценивания интегрального закона

ла

ад = ^2 ад),	(6.44)

1 = 1

где

?х(0 =

1Прих,<х; ,.= 12;

О при х,- > х;
На практике используют следующую процедуру нахождения
РАХУ-

из элементов выборки X], Х2, ..., х^ формируется вариационный
ряд, т.е. эти элементы размещаются в порядке возрастания х1П1П = х(|),
Х(2), • • •, Х(у) — Хтах,

начальный участок искомой функции РАХ) = 0 для всех х < хпип;
далее в каждой точке х = х^,у = 1, 2,...»ЛГ, функция РАХ) имеет при-
ращение, равное 1/7У; для конечного участка, когда х > хтах, автомати-
чески получаем РАХ) = 1 '>

б)	установлено, что построенная таким способом ступенчатая кри-
вая — оценка Рх(х), зачастую называемая диаграммой накопленных
относительных частот, с ростом (при фиксированном интервале дис-
кретизации А) стремится к РАА- Теоретически оценка /^(х) вида
(6.36) является несмещенной и состоятельной;

в)	для дисперсии данной оценки справедливы следующие прибли-
женные соотношения:

для коррелированной выборки

*
~ 2т

В{Рх(х)} <	-Г^х)];	(6.46)

для некоррелированной выборки

/>{>х(х)}<|яЛ(х)[1-ГЛ(х)] ;	(6.47)

г)	для функции распределения вероятностей квадрат относительной
погрешности обычно вводят с помощью следующих соотношений:

=	для значений х, удовлетворяющих уело-

г!<х)

вию Е^х) < 1/2;

$#[^х(х)] = ~~	для значений х, удовлетворяющих уело-

ВИЮ /^(х) > 1/2.

Основная причина столь неоднозначного введения 8ДГх(х)] объ-
ясняется следующим. Очевидно, относительная погрешность мини-
мальна в точке х, для которой Р%(х) — 1/2, и увеличивается, как говорят,
на «хвостах» распределения. В этой ситуации, зная, что теоретически
ТЛ^х) является неубывающей функцией х и изменяется в пределах от О
до 1, важно уяснить степень отличия «левого хвоста» от значений
Р^х), близких к 0, а для «правого хвоста» — от значений Р\{х), близ-
ких к 1.

2 *

С учетом сказанного получим варианты формул для 8К№(х)]:

при Р^х) <1/2:

2 " 2тк
5^[ГХх)]<^-

1-Т^х)

— (коррелированная выборка);

Рххх)

5д№(х)] =

^х)

(некоррелированная выборка);

при Р^х) >1/2:

(6.48)

2 " 2тк

5>Хх)]<^

1-^х)

2 "	1

дах)] = „

^х)
^/х)

(коррелированная выборка);

(некоррелированная выборка).

Оценивание дифференциального закона распределения вероят-
ностей (функции плотности распределения вероятностей)'.

а)	базовая дискретная оценка имеет следующий вид:



(6.49)

гДе ^дх(0 = ‘	1 при х < X; < х + Дх;  0 при хг вне указанного интервала;

Дх — интервал (шаг) группирования данных;

б)	данная оценка является асимптотически несмещенной и состоя-
хельной. Смещение в первом приближении может быть найдено по
формуле

А; , . /х'(х) (Дх)2
л/Ях)^-—

где (х) — вторая производная;
в)	дисперсия данной оценки:

для коррелированной выборки
* *
л 2т	2т

(6-51)

1ч “ /_ХЛ	1ч ДЛЛ

для некоррелированной выборки

вйю} ’тгл^м1 - Ы’Ы “хгх/л*)  (6-52>
1V /_\.Л	1V ДА Л

Сопоставление (6.50) и (6.51), (6.52) показывает, что смещение и
дисперсия рассматриваемой оценки по-разному зависят от интервала
группирования Дх: с увеличением Дх дисперсия уменьшается, а абсо-
лютное значение смещения возрастает и наоборот. В связи с этим при-
ходится выбирать некоторый компромиссный вариант. Практически
такой выбор приходится осуществлять с помощью эмпирических фор-
мул, устанавливающих связь между количеством интервалов группи-
рования к и числом наблюдений ТУ. Одна из таких формул выглядит
следующим образом:

к= 0[3,2 1оё10ТУ].	(6.53)

После определения к вычисляется значение

Дх — СЧпах — ^тт)^>	(6.54)

где х,,,;п, хтЯу — минимальное и максимальное значения выборки.

1111117	111<1л	-V

Далее весь диапазон возможных х разбивается на отдельные интер-
валы группирования с границами, обычно определяемыми следую-
щими соотношениями:

для некоторого центрального, или «нулевого», интервала:

/0 = 6 —Лх/2, =к + Дх/2;

для других интервалов

=	+ч-Дх; 0=1,2,...

Здесь Ъ — некоторый центр, который желательно выбрать близким
к математическому ожиданию т^.

Вычисление оценки /х(*) по формуле (6.49) фактически сводится к
определению относительного количества элементов выборки, попав-
ших в каждый из интервалов группирования. Визуально оценка /т(х)
имеет вид ступенчатой диаграммы, которую принято называть гисто-
граммой;

г)	относительная с гатистическая погрешность оценивания задается
следующим образом:
52Ж*)} =

О(А(х))
/Ах)

Тогда будем иметь:

для коррелированной выборки

52{А<х)} <

*

2тк 1

Я-Ах Д(х)

для некоррелированной выборки

82{А«}

1

X- Ах-/^х)'

Оценивание математического ожидания'.
а) базовая дискретная оценка

1 **

=	(6.55)

/ = 1

б)	данная оценка является состоятельной и несмещенной;

в)	дисперсия оценки:

для коррелированной выборки

*

1	<	1/Г\	2т>с 2

(6.56)

1 = ^

для некоррелированной выборки

2

В{™х) = ‘У,	(6.57)

г)	относительная статистическая погрешность оценивания

и, следовательно,

для коррелированной выборки

*

2 - 2тк

(6.58)

для некоррелированной выборки

2	1

8!^}»^;	(6.59)

д) соотношения (6.56)—(6.59) справедливы для произвольных про-
цессов независимо от их функций распределения вероятностей.
Интересно сопоставить относительные погрешности оценивания
для коррелированной и некоррелированной выборок при фиксирован-
ном времени наблюдения Т. Для коррелированной выборки = 77Д и
&2{тпх} ~ 2тк/7У® 2тк/Т. Для некоррелированной выборки 7УН =77-см.к

2

и, следовательно, 8и{тх} = тык/Т. Отсюда следует, что при фикси-
рованной длине реализации Т:

$2{тх) &н{тх)

1	х « н х .	(6.60)

Тм.к

Используя затем соотношение (6.39), получаем

о „ 2т т	7 Л

§ {тх} « ^2н{тх} = 0, 66 • д2н{тх}.	(6.61)

Тм.к

Соотношение (6.61) в принципе справедливо и для рассмотренных
ранее оценок ДДх) и /И*)  Более того, его можно использовать для
проведения прикидочных расчетов относительной погрешности оце-
нивания произвольной характеристики по коррелированной выборке,
когда отсутствует соответствующая формула, подходящая для практи-
ческих расчетов, но имеется аналогичная формула для некоррелиро-
ванной выборки.

Оценивание одномерных моментных характеристик 2—4-го
порядков'

а)	базовые дискретные оценки для центральных моментов 2—4-го
порядков имеют следующий вид:

-2	1 #	1 У	1

°х = X (*/- тх)2; цзх= - (хг- тх)3; р4Х= - (хг- тх)4; (6.62)
1=1	1=1	1=1

б)	данные оценки при известном математическом ожидании тх
являются состоятельными и несмещенными. При неизвестном значе-
нии тх вместо него следует использовать оценку тх; в этом случае
оценки (6.62) оказываются состоятельными и асимптотически несме-
щенными, причем на практике смещением пренебрегают;

в)	дисперсии оценок:

для коррелированной выборки

~ 2	д ” ЗОт л Л 64тк„в е

Я{°х} = -^-4; Щ^зх} < ~^ОХ, Б{щх} = -^4; (6.63)
для некоррелированной выборки

о{й} =	О{^х} < ^х-,	= ^х-	(6.64)

г)	относительная статистическая погрешность оценивания:

2 '2	52" . Г){]Изх} . я2гГ. I -

8 {ОХ} = -----5 {цзЯ - —, б {Ц4х}--------------------&—, (6.65)

СТА	®Х

и, следовательно,

для коррелированной выборки

е2 г ' 2 4тк.кв 2 г . ^0тк 2,Л	1921ккв ГА ААЛ

8 {<*х} = —; 8 {цз^} <	’ $ {Н4х) < —; (6.66)

для некоррелированной выборки

а2{Дзл'} <	82{Н4^} =	(6.67)

д) соотношения (6.63)—(6.67) получены в предположении, что ана-
лизируемый процесс является гауссовским. Для процессов, отличаю-
щихся от гауссовских, статистические погрешности оценивания могут
быть существенно другими, причем как в сторону уменьшения, так и в
сторону увеличения. Получить для таких вариантов даже приближен-
ные соотношения вида (6.64)—(6.67) весьма затруднительно, однако
можно высказать общие соображения о тенденциях изменения указан-
ных характеристик в зависимости от вариации показателей асиммет-
рии Уау и эксцесса уэХ.

Для симметричных распределений с уменьшением у.,^ от 0 до (в
пределе) -2 статистическая погрешность уменьшается. Так, для
одного класса марковских процессов с экспоненциальной корреляци-
онной функцией и равномерным одномерным распределением будем
иметь:

для коррелированной выборки

х2/^2) —	о2/ .	6,7 тк _ „2," . _ 7,2тккв

8 {ед---------, 8 {цзх} = —, о {р4^}-----------------—— , (6.68)

для сравнения точные значения погрешностей для марковского гаус-
совского процесса с такой же экспоненциальной корреляционной
функцией (в данном случае они могут быть вычислены и для Цза',
Шх) равны

х2/2.2> 4тккв э г Л . 22тк 2,	168т

5 {’%} = —; 5 {цзЯ =	6 {ц«} = ——;
для некоррелированной выборки аналогично (6.68)

$-2/21 _ I»б) * 8 х2г"	к2*" 1 - 5>8

5 {сгН —5	—; 8 {Щх} —,

что меньше по сравнению с (6.67).

Отличие показателя асимметрии у.^х от нуля сказывается на точно-
сти оценивания в еще большей степени, приводя зачастую к резкому
увеличению погрешности. Если, к примеру, вновь рассмотреть про-
цесс из того же класса марковских процессов с экспоненциальной кор-
реляционной функцией и (в данном варианте) с одномерной экспонен-
циальной функцией плотности, то будем иметь:

для коррелированной выборки

о2, Д2. _ 24тк кв 2,л .	330тк г2 г" 29344тккв

О {ед------, о {ЦзЯ---------~ , О {щЯ------------—---- ,

для некоррелированной выборки

„2^2.	10	е2(~	, 261 я2 ~	,	14752

${ед = -^; § {мзх}^-^-; Нтг—

Ясно, что точность оценивания в любом случае падает с ростом
порядка определяемой моментной характеристики и увеличением
показателей (Уау) иуэ^.

Оценивание показателей асимметрии у.сХ и эксцесса уэХ:

а) оценки показателей асимметрии у^у и эксцесса уЭ/у соответст-
вуют соотношениям (6.11), определяющим данные характеристики:

УаХ =

М-З.Г.
~3 ’
°х

УэХ =

У4Х п

-4

°Х

(6.69)

б) оценки (6.69) асимптотически несмещенные и состоятельные;

в) для некоррелированной выборки и распределений, близких к

гауссовским, справедливы приближенные соотношения для дисперсий
данных оценок:

6	~	24

(6.70)

Формулы (6.70) можно использовать в качестве ориентировочных и
для коррелированной выборки, причем, как отмечалось, при малом
шаге дискретизации можно считать, что

9	"	36

Я{уаН^;П{уэХ}«^-

(6.71)
Оценивание автокорреляционной функции’.

а)	базовая дискретная оценка

1 "

^ххЬ) = Пхх(к&) = ^Х^~тх)(х1+к-тх);

к= 0, 1, ..., т; т > тмк.

(6.72)

При неизвестном значении тх вместо него используется оценка тх
[см. соотношение (6.65)];

б)	оценка (6.72) несмещенная; при неизвестном тх асимптотиче-
ски несмещенная;

в)	дисперсия оценки (6.72):

/){Ыт)} = О{Кхх(кЛ)} =

л я у ПЛ

I I1 - дУ <ДД<'Д) + Кхх[(1 + А ]ЛДЖ[( / - А ]) <

I = -Х

2	(	|/|Л 2 4оу *

<6-73)

I = -X

Формула (6.73) справедлива для гауссовских случайных процессов,
причем на практике ее можно использовать как в случае известного тх,
так и тогда, когда тх неизвестно. Для негауссовских процессов в пол-
ной мере справедливо высказанное ранее замечание, связанное с оцен-
кой моментных характеристик и касающееся изменения величины дис-
персии оценки при вариациях параметров асимметрии и эксцесса;

г)	относительная статистическая погрешность оценивания:

х2 "	О{Кхх(кА)} 4 *

5 {Кхх(к&)}-----------------<—Тккв.

®х

Оценивание взаимной корреляционной функции'.

а)	аналогично (6.72) имеем

дг

^у(т) = А%У(М) =	(х1-тх)(у1 + к-ту);

1 = 1

к~-т, -т + 1, .1, 0, 1,..., т,	(6.74)

где пг должно выбираться из условия практически полного затухания
искомой функции или исходя из требований конкретной практической
задачи. При неизвестных значениях тх, ту вместо них следует
использовать соответствующие оценки;
б)	оценка (6.74) несмещенная (т%, ту известны) или асимптотиче-
ски несмещенная при неизвестных ту, ту',

в)	дисперсия рассматриваемой оценки для гауссовских процессов
Э{кх^} = Д{Яху(*Д)} =

1	/	|-|Х

=]у V ~ ТУ?	+ ЛхтК* +	“ ^)А] } —

1 1 = -Х

*	*	1/2

— 1Тк.кв(^Э^к.кв(Ур ’	(6-75)

где тккв(^, тккв(} ) — дискретные интервалы квадратичной корреля-
ции процессов Х(1) и ?(();

г) относительная статистическая погрешность оценивания
а2-адм)} = д	и^п]1/2.

^У

Можно сказать, что свойства оценок взаимной корреляционной
функции во многом аналогичны свойствам оценок автокорреляцион-
ной функции.

Оценивание нормированных корреляционных функций:

а)	оценки нормированных корреляционных функций очевидным
образом получаются с помощью исходных соотношений (6.13), (6.21)
с заменой соответствующих характеристик на их оценки:

РлУ т) =	; РАТМ = М;	(6.76)

°Х	°Х°У

б)	оценки (6.76) асимптотически несмещенные и состоятельные;

в)	для дисперсий указанных оценок отсутствуют какие-либо фор-
мулы, удобные при практическом использовании. Можно рекомендо-
вать для приближенных расчетов следующие соотношения:

при оценивании нормированной автокорреляционной функции
Р{р^т)} = 1){рА:/М)}«
* *

» ^[1 -р^т)] = ^[1-р^А)1;	(6.77)

формула (6.77) в целом правильно отображает характер изменения
/){р (т)} : нулевая дисперсия при т = 0; дисперсия порядка 1/Х для
больших т;
при оценивании нормированной взаимной корреляционной функции

2^к.квГ1 2 , ч-.2
— [1-р^(т)1

^[1-р^Д)]2,

(6.78)

где тккв —большее из тка(х,, тк„т.

Оценивание спектральной плотности У^со). В силу специфиче-
ских особенное! ей [42] оценивания спектральных характеристик
несколько отступим от использовавшейся ранее структуры изложения.
Это связано в первую очередь с необходимостью введения ряда новых
понятий, характерных именно для спектрального анализа, а также в
силу существования нескольких вариантов оценок спектральной плот-
ности З'уо’Ссо).

С практической точки зрения целесообразно рассматривать спек-
тральную плотность как функцию обычной, а не круговой частоты [т.е.
*$Ху(/1], а не 5^у(со), что, впрочем, непринципиально.

Наиболее распространенным методом оценивания $ху(/), исполь-
зуемым при цифровой обработке, является метод Фуръе-преобразова-
ния отрезка реализации случайного процесса длительностью Т. В его
основе лежат формулы (6.14), (6.15). В частности, дискретным выбо-
рочным аналогом (6.15) является следующее соотношение:

г г М	“I2

= | 1х.со82л^~1) +

11_/ = 1

2

*	• 2М-П

у Х,81П-----

1	м

(6.79)

А = ^;*=0,±1, ±2, ...,№.

Получаемая в результате такого преобразования функция /(4) назы-
вается периодограммой. Периодограмма может рассматриваться как
некоторая оценка функции в дискретных точках = к/(МД)',
к=0, ±1, ±2, ..., М2; Ы = Т/М причем это — асимптотически несме-
щенная оценка, т.е. Нт М{1(/к)} = ^х^к)  Однако данная оценка не

ДГ-> оо

является состоятельной, поскольку с ростом длины реализации Т дис-
персия 7){/(/у)} не стремится к нулю. Конкретно справедливо следую-
щее приближенное соотношение:

НтР{/(4)}»4Л/Л	(6-80)

Э1 о не означает, что увеличение Т никак не сказывается на свойст-
вах периодограммы.
Во-первых, при таком увеличении уменьшается корреляция между
отдельными ее ординатами. В частности, для гауссовского случайного
процесса типа «белого» шума значения периодограммы, разделенные
по частоте интервалами, целочисленно кратными 1/(ЛЛА), полностью
некоррелированы.

Во вторых, что очень важно, увеличивается само число этих орди-
нат и расстояние между ними Ду=у^ + т ~/к = 1/(ЛА) по шкале частот.
Величину Ду называют разрешающей способностью периодограммы.
Можно дать четкую интерпретацию этой характеристики, когда речь
идет о синусоидальных сигналах. Очевидно, что с помощью периодо-
граммы можно различить две синусоиды с частотами15 т.е. раз-
несенные на Ду: на периодограмме каждой такой синусоиде будет в
пределе соответствовать своя дельта-функция. В общем случае при
исследовании произвольных случайных процессов под разрешающей
способностью 5/ понимают минимальное значение частотного интер-
вала, при котором еще удается разделить узкие пиковые составляющие
в кривой спектральной плотности, если они разнесены на значение
этого интервала. Формальное определение 5/, соответствующее дан-
ной трактовке, будет приведено далее.

Для получения состоятельной оценки спектральной плотности
необходимо проведение операции сглаживания периодограммы по
частоте в соответствии с формулой

мг	ЛГ/2 Г к- Л (  Л

= X	(6‘81)

] = -#/2	у = -ЛУ2

Здесь — весовая сглаживающая функция, обычно называемая
спектральным окном. Спектральное окно РГ(/у) = Иу у =(-2У/2, 7У/2),
должно удовлетворять ряду требований:

ДГ/2

X = 1; Ж($) = Ж;)-	(6-82)

} = -ЛУ2

Кроме того, спектральное окно должно содержать некоторую цен-
тральную часть вблизи / = 0 и, быть может, боковые лепестки сущест-
венно меньшей амплитуды. К настоящему времени предложено и
используется на практике большое число спектральных окон, обла-
дающих различными свойствами. Наиболее распространенные разно-
видности спектральных окон перечислены в табл. 6.3.
202	203

Таблица 6.3

Спектральные окна и свойства оценок спектральной плотности

Наименование спектрального окна Иу	Аналитическое выражение для					52«)|	5/	^>ХхМк)
Даниэля	2М+ 1’“М					1	2М+ 1  УД	„	М(М+1)  ХХ^ 6(7И)2
						2М+ 1		
Бартлетта						0,67 М	15 —  ’ УД	12(УД)
Хемминга	1  1, 08Л/+ 0,08		Г0,54 +0,46 соз —'  <	м7		; \1\<м	0,68 — М	1,47 — №	„ ,..0,08Л? хх(л) тг
Ханна	1  2М'		1 + 008  <	Л77	; И м		0,75^ М	1,33 —	„„ ,^0,065 М2  Ъхх"к> ,	2  (УД)2
Парзена	1 — А1	<'®3; 1^+^  л/3		! (1 +  г| < М=<	1)(2/+1) ! 3/(/+1)2~| ,  М2	2М3  2/;  к 21 + 1	0,961 М	1,04 — УД	,0,042 л/  ^ХХ V к>	2  (УД)2

Наименование спектрального окна	Аналитическое выражение для Ну		8/	^хх(/к)
Фурье- преобразование прямоугольного корреляционного окна Даниэля	8т[л(2»7 + 1 )у/У] У8т(л//У)	У	0,5 — »?Д	5ХХ 0,025	к *  (тЛ)
Фурье- преобразование корреляционного окна Бартлетта	 2/  81П (л/иу/У)  2  У/Ц8Ш (лу7У)	2 т  3 У	1>5 Л	5хх (/к)  0,05 	*  (тиД)
Фурье- преобразование корреляционного окна Хемминга	1/о 54 8т[л(2ти+ 1)у7У] +	зт[л(2^ + 1)(;7У+ 1/2т)]  У[ ’	зт(лу7У)	’	зт л (//У + 1/2ц?)  +д 2з51п[гс(2?и + 1)(/7У- 1 /2т)] ] 8тл(//У- 1 /2т)	Г	4 т  5 ’У	!,25-1 тЛ	5ХХ (А) 0,058 — к  (?яД)
Фурье- преобразование корреляционного окна Ханна	1 [ 18т[л(2#7 + 1)у7У] + 1 8т[л(2/и + 1)(/7У+ 1 /2т)] + У[2 8т(лу7У)	4	8тл[//У + 1/(2т)]  ! 1 8т[тс(2т + 1)(/7У- 1 /2т)] ]  4	8тл(//У-1/2/и)	|	3 т  4 'У	1,33 — /яД	5ХХ (/к) 0,063 — к  (/иД)
Фурье- преобразование корреляционного окна Парзена	3 8т4[лиу/(2У)] 4У»?3 8т4тф7(2У)]	50 т  93 ‘У	1,86 —	5хх <Л) 0,152 — к (т&)

* Без учета явления просачивания
Все их можно разделить на две группы. К первой группе относятся
финитные спектральные окна, отличные от нуля лишь на конечном
интервале (-М, М). Это спектральные окна Даниэля (прямоугольное),
Бартлетта (треугольное), Хемминга, Ханна, Парзена. У спектральных
окон данной группы полностью отсутствуют так называемые «боковые
лепестки», чем они отличаются от спектральных окон второй группы.

К спектральным окнам второй группы относятся окна, являющиеся
фурье-образом соответствующих окон во временной области, или корре-
ляционных окон. Это название связано с тем, что до последнего времени
наиболее популярным методом оценивания спектральной плотности был
метод фурье-преобразования оценки корреляционной функции на базе
соотношения (6.17). Для получения состоятельной оценки функции <$ху(/)
с помощью этого метода перед выполнением операции фурье-преобразо-
вания оценка В-хх(ъ} должна быть умножена на весовую функцию н(т),
называемую «корреляционным окном». В качестве функций и (т) различ-
ными авторами были предложены разные функции с определенными
общими свойствами [и(т) — четные функции, отличные от нуля на
интервале (-т^, т,и), причем гг(О) = 1; гг(0) > гг(т)]. Такого рода функции
получили авторские наименования: корреляционные окна Бартлетта,
Хемминга и т.п. По своей форме они полностью аналогичны соответст-
вующим спектральным окнам первой группы. Собственно, спектральное
окно получается как фурье-преобразование данной весовой функ-
ции и’(т) или ее дискретного варианта и>(#Л) = и^; к = (~т, т)\т = ът1к.
Отметим, что для любого спектрального окна второй группы значение т
следует рассматривать просто как некоторый параметр этого окна.

В качестве примеров перечисленные выше спектральные окна пер-
вой и второй групп представлены соответственно на рис. 6.12 и 6.13
для частного случая И= 512; М= 10; т = 50.

В последнее время, как уже отмечалось, преимущественным мето-
дом оценивания спектральной плотности является периодо-
граммный метод. Это в первую очередь обусловлено разработкой раз-
личных модификаций алгоритма быстрого преобразования Фурье
(БПФ), принципиально упростивших проведение необходимых вычис-
лительных процедур. В этой связи предпочтительным оказывается
использование спектральных окон первой группы. Их применение
позволяет достаточно наглядно представить характер сглаживания
исходной периодограммы; их очень просто видоизменять с учетом
текущих результатов анализа. Кроме того, исключается появление
такого неприятного явления, как «просачивание» через боковые лепе-
стки спектрального окна. Это явление имеет место в ситуации, когда
спектральная плотность содержит ярко выраженные пики. Тогда воз-
Рис. 6.12. Финитные спектральные окна для случая ТУ = 512; М= 10; т = 50:
а — Даниэля; б — Бартлетта; в — Хемминга; г — Ханна; д — Парзена

-40 -20 0 20 40 у -40 -20 0 20 40 у
г)	д)

Рис. 6.13. Нефинитные спектральные окна — фурье-преобразование корреляцион-
ных окон:

а — Даниэля; б — Бартлетта; в — Хемминга; г — Ханна; д — Парзена
можно появление ложных всплесков в кривой 8хх{Г), когда место рас-
положения пика совпадает с одним из боковых лепестков. Для спек-
трального окна, соответствующего прямоугольной функции м'(т), и
реже для корреляционных окон Хемминга и Ханна в данной ситуации
вообще возможно появление отрицательных значений 8хх(/), что
абсолютно бессмысленно.

Независимо от конкретного вида используемого спектрального
окна можно указать общие свойства получаемых периодограммных
оценок 8хх(/)  Для дисперсии 8хх(Л имеем

( Я/2	\	<	Х/2

=5^Д)— ДГД 2

\/ = -ЛГ/2	/	\	7 = -ЛГ/2

. (6.83)

Относительная погрешность оценивания в данном случае равна

о \8хх(Ук)}	2	~ т лг ’	(6.84)

$Хх(/к)

где АД — эффективная статистическая полоса частот спектрального
анализа:

ДД = -------!----	(6.85)

Х/2

ТУА РР2

) = -Х/2

Данная величина характеризует ширину полосы эквивалентного
прямоугольного окна с тем же значением отношения дисперсии к
квадрату среднего значения на его выходе, как и у окна И-(/), для слу-
чая, когда на вход подан случайный процесс типа «белого» шума. С
помощью АД принято характеризовать разрешающую способность
спектрального анализа, т.е.

8 = Д/ =---------!----.	(6.86)

Х/2

мл

У=-^/2

Формула (6.82) может быть записано теперь и в иной форме:

82{8л-Х4)}'7’-8/»1.	(6.87)

Данное соотношение называется соотношением неопределенности
и является фундаментальным, характеризующим общие свойства
спектрального анализа. С его помощью легко заметить, что при фикси-
рованной длине реализации Т любая попытка увеличить статистиче-
скую точность оценивания (варьируя параметры спектрального окна),
2 л

т.е. уменьшить 8 {5хгС4)} » неизбежно приводит к снижению разре-
шающей способности 8/и наоборот. Одновременно повысить точность
оценивания и разрешающую способность можно только увеличив дли-
тельность анализируемой реализации Т. Конкретные формулы для рас-
2 Л

чета 8 {8хх(/к)} и 8/ при использовании различных спектральных
окон приведены также в табл. 6.3, там же указаны и приближенные
выражения для смещения оценки $хх(/к) [43]. Очевидно, что при про-
чих равных условиях при изменении параметров спектрального окна

Л	2 ~

смещение &{$хх{/к)} и 8 {$хх(4)} ведут себя противоположным
образом, а именно, если уменьшать 8 {^аа(/д) } > т0 смещение возрас-
тает, а если стремиться уменьшить смещение, то увеличится статиста-

2 Л

ческая погрешность 8 {} . Искусство специалиста-исследова-
теля состоит в том, чтобы найти разумный компромисс между
различными характеристиками, определяющими свойства спектраль-
ного анализа, исходя из особенностей решаемой прикладной задачи.

Отметим, что для достижения состоятельности оценки 8хх(/к) по
мере роста И (теоретически ТУ —> оо) должны некоторым согласован-
ным образом (например, как 1о^ Л) возрастать и соответствующие
параметры используемого спектрального окна (Л/ или т) с тем, чтобы
постепенно увеличивалось количество сглаживаемых окном спек-
тральных линий.

Известен и другой подход к получению состоятельных оценок
спектральной плотности. Он состоит в разбиении исходной реализа-
ции длительностью Т на I) примыкающих участков длительностью
Тр= ТЮ. Для каждого такого участка в соответствии с формулой
(6.79) и замене ТУ на Ир = И/Б и^ = &/(7УЛ) на/к = &/(ЛДД) находится
периодограмма 4= 1, ...,2). Оценка спектральной плотности
определяется тогда как среднее значение найденных периодограмм:

Б

^хх</к)	(6.88)

(1= 1

Данная оценка асимптотически несмещенная, а ее дисперсия и раз-
решающая способность равны соответственно

Л	12

1«-	(6-89)
Существует модифицированный вариант данного подхода, когда
исходная реализация разбивается на 77/, перекрывающихся участков
длительностью ТБ = Г(1 + /г)/Г>Л, где к — коэффициент перекры-
й

тия, обычно выбираемый в диапазоне 0,5—0,7. При этом для одной и
той же разрешающей способности удается несколько уменьшить дис-
персию получаемой оценки. Возможно и комбинированное использо-
вание различных методов оценивания, когда периодограммы, найден-
ные по отдельным участкам, перед усреднением сглаживаются с
помощью того или иного спектрального окна. Показано, в частности,
что для гауссовского случайного процесса минимальное значение дис-
персии достигается при использовании РГ(/^) на основе корре-
ляционного окна Ханна при 65 %-ном перекрытии (к = 0,65).

При практическом осуществлении спектрального анализа могут
возникнуть некоторые дополнительные трудности, обусловленные
конечной длительностью Т анализируемой реализации.

Во-первых, это размывание спектральных составляющих. Такое
явление наиболее ярко проявляется при наличии в сигнале гармониче-
ских компонент, например синусоиды с частотой В кривой спек-
тральной плотности при конечном Т вместо 6-функции на частоте Уо
будем иметь функцию вида [81пл(/’ /())Г/(л(/’ /р)))2, имеющую множе-
ство положительных и отрицательных боковых лепестков, амплитуда
которых спадает сравнительно медленно по мере удаления от /д. Для
уменьшения влияния этого явления (в особенности при относительно
малых Т) используется предварительное преобразование исходной
реализации. Такое преобразование состоит в умножении наблюдаемых
значений на некоторую весовую функцию уЦ/), аналогичную некото-
рому корреляционному окну, при выполнении дополнительного усло-

2

вия сохранения дисперсии <зх. Наиболее часто применяется весовая
функция Ханна, принимающая для дискретного случая следующий
вид:

™(0 = ^1-со82л^); 1=1,2, ...,7\Г.

Влияние боковых лепестков при этом существенно снижается.

Вторая трудность состоит в появлении паразитной амплитудной
модуляции спектра. Это явление обусловлено тем, что, если рассмат-
ривать непрерывную частотную шкалу, каждой ординате периодо-
граммы сопутствует некоторый полосовой фильтр, амплитудно-час-
тотная характеристика которого определяется видом функции уг(О-
В совокупности всему дискретному преобразованию Фурье будет
соответствовать гребенка таких фильтров, амплитудно-частотная
характеристика Л(/) которой представлена на рис. 6.14.

Ее характерные особенности и приводят к появлению паразитной
амплитудной модуляции. Она опять-таки наиболее ярко проявляется
при наличии гармонической составляющей, когда частота синусоиды
/0 находится где-то в промежутке между частотами АьА+ Ь соответст-
вующими двум различным ординатам периодограммы. Тогда такой
синусоидальный сигнал находит свое отражение сразу в двух соседних
ординатах периодограммы, что затрудняет интерпретацию получен-
ного результата: то ли имеется одна синусоида с промежуточной
между /к ,/ь +] частотой, то ли две синусоиды с частотами /к и/к + 1.

Различить эти две ситуации можно с помощью процедуры, назы-
ваемой дополнением нулями. Суть этой процедуры очень простая:
исходный ряд, содержащий наблюдений, расширяется путем добав-
ления нулевых значений Ло, а затем по такому расширенному ряду,
содержащему 1\тг = Ы + 7У0 отсчетов, вычисляются периодограмма и

последующая оценка Зхк(А) • Такое дополнение нулями не изменяет

2 Л

ни 8 {8хх(/к) } , ни разрешающую способность 8/ Дополнение нулями
просто позволяет получить интерполированные значения для точек,
лежащих между частотами + 1 и тем самым помочь в правильной

/

Рис. 6.14. Амплитудно-частотная характеристика гребенки фильтров, соответст-
вующих дискретному преобразованию Фурье
интерпретации результатов в описанной ранее противоречивой ситуа-
ции. Считается также, что при этом повышается точность оценивания
частоты спектральных пиков.

Сказанное легко может быть проиллюстрировано на простейшем
примере. Пусть исследуемый сигнал х(/) представляет собой сумму
трех синусоид, так что теоретическая спектральная плотность содер-
жит три дискреты (рис. 6.15, а). Далее, на рис. 6.15, б изображена
периодограмма, полученная по 16 наблюдениям, с помощью которой
весьма сложно понять, что представляет собой, сигнал х(1). По мере
увеличения числа дополнительных нулей ситуация постепенно прояс-
няется (рис. 6.15, г, д). Начиная с = 48 уже можно четко обнаружить
наличие трех синусоидальных составляющих. Последующее увеличе-
ние числа дополнительных нулей по сути уже ничего не меняет.

Дополнение нулями может использоваться и как чисто технический
прием. Дело в том, что быстрое преобразование Фурье программно
реализуется наиболее экономно, если число отсчетов представляет
собой некоторую степень числа 2. Если значение Ы не удовлетворяет
этому условию, то тогда целесообразно добавить нужное количество
нулей с тем, чтобы Мг = 2я.

Оценивание взаимной спектральной плотности 5уу(со). Получе-
ние оценок взаимной спектральной плотности 5уу(со) или 5уу(/) в
принципе аналогично оцениванию 5^®) или При использова-
нии периодограммного метода в первую очередь вычисляется кросспе-
риодограмма:

^ат(4) = Ке/дт(4) -Л^ХуМкУ /к = к/ф&У, к = 0, ±1, ±2, ±Л/72, (6.90)
где



г

Х, СО8

-/ = 1

2тгА~(/— 1)
ТУ

Е^С08

2лЛ(/-1)

г

Е

-/=1

2пк(1 - 1)
ТУ

Е ^81п

2тЩ/-1)



г

Х;-СО8

-I = 1

Е Х/8Й1

-г = 1

2пк(г - 1)

г

Елс°8

-г = 1

2тгА(/-1)

2пк(1- 1)
ТУ

Г

Е ^8Й1

2яЛ(/-1)
ТУ
1(к/Ю

/(к/Ю

а)	б)

Т(к/К)

г}

Рис. 6.15. Влияние процедуры дополнения нулями:

а — теоретическая спектральная плотность; б — периодограмма по 16 наблюдениям
^=16); в—е — то же, но с дополнительными нулями (в —	~ 16; г — Ло = 48; д —

1М0=112; е — 1Уо = 24О)

1(к/1У)

е)
После этого путем использования подходящего спектрального окна
с помощью соотношения (6.81) определяются оценки коспектральной
Схт(/) и квадратурной спектральной плотности ^xу(^):

ЛГ/2

Слу(/к)- X ^ху^УЩ);

7=^/2

ЛУ2

У = -Х/2

и, следовательно,

УггС4) = Сху[/к) -](2ху(/к) •	(6-91)

Поскольку взаимные спектральные характеристики, как правило,
определяются одновременно со спектральными характеристиками
каждого из процессов, спектральные окна для получения оценок
8хх(/к),	<$ат(4) обычно выбираются одинаковыми. Остаются в

силе и высказанные ранее соображения по вопросам статистической
погрешности оценивания, смещенности оценок, разрешающей способ-
ности анализа, а также различные приемы, направленные на повыше-
ние качества получаемых результатов спектрального анализа.

Оценивание функции когерентности. Оценку функции когерент-
ности получают по формуле, соответствующей исходному определе-
нию (6.23):

йх(4) = -	---;Л = */(ЛД)Д = О, +1, ±2, ЛИ, (6.92)

гДе ^А'Х/Д 8уу(/к), 8ху(/к) — оценки спектральных плотностей каж-
дого из анализируемых случайных процессов Х(1), У(/) и их взаимной
спектральной плотности соответственно. При получении оценки функ-
ции когерентности следует учитывать ряд дополнительных соображе-
ний и правил с тем, чтобы избежать явно ошибочных результатов:

если в качестве оценки спектральных плотностей использовать
периодограмму, а в качестве оценки взаимной спектральной плотно-
сти — кросс-периодограмму, то выборочная функция когерентности

А2
всегда будет равна единице; поэтому при получении оценки Уд уХД)
следует в обязательном порядке использовать достаточно сильно сгла-
женные оценки 8хх(/к)’ $УУ</к)> $ху(/к)
в том случае, когда функция $хх(/^ или 5уу(4) обращается в нуль

Л2

либо очень близка к нулю, уху(/) может получиться больше 1; в этом

Л2

случае рекомендуется принять уху(/) =

Л2	"

если у^у(/) > 1, но	^ууС4) не являются малыми, то пола-

гают у^у(/) = 1.

В любом случае делать выводы необходимо, анализируя одновре-
А2
менно график у^у(/) и графики оценок спектральных плотностей
$хх(/к)’ $ууУк)’ $хуУк> и не Утекая из внимания физическую сущ-
ность решаемой задачи.

6.5.	Практические рекомендации по проведению анализа

Технология практического анализа сигналов не менее важна, чем
теоретическое рассмотрение различных методов и алгоритмов обра-
ботки и изучение их свойств. По своей сути все предыдущее рассмот-
рение велось под углом зрения, который кратко может быть охаракте-
ризован словом «анализ», где главное внимание уделялось
рассмотрению тех или иных характеристик алгоритмов (например,
точности), влиянию вариации параметров алгоритмов и особенностей
анализируемых процессов на эти характеристики и т.п. С точки зрения
пользователя-специалиста в некоторой прикладной области не менее
важным является решение задачи синтеза, т.е. выбора способа получе-
ния исходных данных, схемы обработки, конкретных обрабатываю-
щих алгоритмов и их параметров. Ясно, что в силу сложности и много-
образия решаемых практических задач нереально предложить
некоторую единую технологию обработки. Тем не менее, можно сфор-
мулировать основанные на накопленном к настоящему времени опыте
некоторые краткие рекомендации.

1.	Никакая разумная обработка невозможна без некоторой априор-
ной информации о свойствах исследуемого процесса. Это в первую
очередь информация о характере процесса, его амплитудных и частот-
ных свойствах. Такого рода сведения могут быть получены либо путем
анализа результатов предыдущих исследований, либо, исходя из физи-
ческих свойств явлений, порождающих анализируемый сигнал, либо,
наконец, путем проведения так называемого пилотного анализа. Для
такого анализа желательно использовать аналоговое представление
данных или же осуществлять аналого-цифровое преобразование с
заведомо завышенной частотой дискретизации.
2.	При решении задачи оценивания характеристик случайных про-
цессов можно сформулировать задачу планирования соответствую-
щего эксперимента.

Основная задача планирования такого эксперимента состоит в
выборе необходимой длительности реализации Т (количества дискрет-
ных отсчетов ЛО, обеспечивающей получение фиксированной стати-
стической погрешности оценивания рассматриваемой характеристики.
Для решения этой задачи в первую очередь необходима информация о
значениях интервалов корреляции тм к, тк, тк кв особенностях спектра
и т.п. Эти интервалы могут быть приближенно определены с помощью
соотношений (6.19), (6.39)—(6.43). Далее, задаваясь определенной
относительной погрешностью оценивания 5{0} искомой характери-
стики 0 (как правило, 8{0} = 0,010,05), можно с помощью приве-
денных ранее формул найти количество дискретных отсчетов и соот-
ветственно необходимую длительность реализации Т = ТУА. При этом
оценивание каждой из рассмотренных ранее характеристик случай-
ного процесса имеет свои особенности, которые следует учитывать
при планировании эксперимента:

а)	при оценке интегральной функции распределения необходимо
выбрать некоторое минимальное значение /^(х) (например, 7^(х) =
= 0,005—0,05), ориентируясь на которое следует находить ТУ;

б)	в случае оценивания дифференциальной функции распределения
следует обратить особое внимание на априорную информацию о том,
насколько сложна форма /х(х) с тем» чтобы выбрать ширину диффе-
ренциального коридора Дх, не приводящую к появлению больших сис-
тематических погрешностей (большого смещения); после этого опре-
деляется ТУ с учетом возможных значений А х^(х);

в)	при оценивании корреляционных функций необходимо прини-
мать во внимание возможный вид одномерного распределения (в пер-
вую очередь, показателя асимметрии), поскольку это сильно сказыва-
ется на точности оценивания;

г)	когда оценивается спектральная плотность 5\х(/), прежде всего, как
правило, осуществляется выбор показателя 8/, обеспечивающего необхо-
димую разрешающую способность анализа, а уже затем определяется ТУ.

3.	При практической реализации процедур анализа сигналов
большую помощь может оказать использование пакетов прикладных
программ и программных систем, ориентированных на решение
подобных задач. Такого рода средства, различающиеся по степени
универсальности, объему и качеству используемых алгоритмов,
областям возможного использования, графическим возможностям и
пользовательскому интерфейсу, требованиям к используемому обору-
дованию, сервисному обслуживанию, стоимости и т.п., широко пред-
ставлены в настоящее время на рынке программных продуктов [44].

Можно выделить три категории статистических программ, представ-
ляющих наибольший интерес с точки зрения конечного потребителя.

Универсальные статистические пакеты. Эти пакеты по своей
сути являются пакетами общего применения безотносительно к той
или иной конкретной предметной области, где проводятся исследова-
ния. Они, как правило, включают в себя очень большой набор методов
и алгоритмов обработки, богатые графические возможности, позво-
ляют реализовать комплексную обработку данных, когда результаты,
полученные с помощью одного из методов, служат исходной информа-
цией для другого метода. К такого рода пакетам относятся известные
зарубежные (81аЮгарЫс8, 81а118йса, 8Р88, 8у81а1) и отечественные
(81асйа) программные продукты.

Специализированные статистические пакеты. Пакеты данной
категории содержат, как правило, методы, относящиеся к одному-двум
разделам статистики, или же методы, предназначенные для решения
конкретной прикладной задачи. Сильная сторона этих пакетов заклю-
чается в глубокой проработке реализованных в них методов, использо-
вании последних теоретических достижений в области прикладной
статистики, в наличии оригинальных методов обработки, созданных
разработчиками. К такого рода пакетам относятся отечественные пакеты
Мезозавр и Эвриста, предназначенные для анализа временных рядов.

Библиотеки статистических программ, входящие в инстру-
ментальные программные средства различного назначения. Такие
библиотеки содержатся, в частности, в табличном процессоре
М1СГО8ОЙ Ехсе1, в пакетах прикладного программирования автоматизи-
рованных систем ЬаЪУ1Е\У, ЬаЪ\Утс1о\У8, ряде СУБД.

К сожалению, практически во всех перечисленных программных
средствах отсутствуют или очень слабо представлены элементы, осу-
ществляющие статистический анализ получаемых результатов, опре-
деление их точностных свойств. В этой связи результаты, получаемые
с помощью такого рода программных пакетов и систем, целесообразно
дополнять данными статистического анализа, которые могут быть
получены с помощью приведенных ранее расчетных соотношений.

4.	Процесс анализа сигналов в большинстве случаев носит итера-
ционный и комплексный характер, когда в ходе обработки по мере
получения текущих результатов и постепенного уточнения свойств
процесса приходится возвращаться к предыдущим этапам обработки с
использованием скорректированных параметров алгоритмов. Впро-
чем, настоящим учителем здесь является опыт, и никакие книги и тео-
ретические рассмотрения не могут заменить его.
Контрольные вопросы к главе 6

1.	Перечислите основные этапы анализа временных рядов и укажи, е их
назначение.

2.	Какие типы сигналов могут встречаться при обработке реальных времен-
ных рядов, какие компоненты они могут содержать, какие модели можно
предложить для описания состава исследуемого сигнала9

3.	Что такое случайный процесс, какие свойства случайных процессов учи-
тываются при их классификации?

4.	Укажите основные верояз ностные характеристики случайных процессов.

5.	Приведите функцию закона распределения и основные числовые характе-
ристики нормально распределенного случайного процесса (равномерно
распределенното).

6.	Что определяют начальные и центральные моменты случайного процесса
первого и второго порядков?

7.	Что характеризует автокорреляционная функция и связанные с ней харак-
теристики?

8.	Что характеризует функция спектральной плотности мощности и связан-
ные с ней характеристики?

9.	Какие виды преобразований процесса необходимы для представления его
в цифровой форме? Как они сказываются на свойствах процесса?

10.	Как погрешности преобразования процесса в цифровую форму сказыва-
ются при его обработке?

11.	Что такое аномальные измерения? Укажите основные приемы для их обна-
ружения и обработки.

12.	Какие методы выделения тренда (колебательной компоненты, сезонной)
вы можете предложить?

13.	Какие методы анализа случайности ряда вы знаете? Как они могут быть
использованы на этапе первичной обработки?

14.	В чем состоит задача оценивания основных вероятностных характеристик
случайного сигнала? Какие свойства характеризуют качество оценок?

15.	Как рассчитывается базовая оценка функции распределения вероятностей
(интегрального закона распределения вероятностей), какими свойствами
она обладает, в чем состоят особенности цифровой оценки?

16.	Оценивание дифференциального закона распределения вероятностей (функ-
ции плотности распределения вероятностей): базовая оценка ее свойства,
особенности цифровой оценки.

17.	Оценивание математического ожидания и одномерных моментных харак-
теристик 3—4-го порядков: базовая оценка, ее свойства, особенности циф-
ровой оценки.

18.	Оценивание автокорреляционной функции: базовая оценка, ее свойства,
особенности цифровой оценки.

19.	Оценивание спектральной плотности мощности: базовая оценка, ее свой-
ства, особенности цифровой оценки в виде простой периодограмм! ।

20.	Оценивание взаимных характеристик двух процессов: базовые оценки, их
свойства, особенности цифровых оценок.

21.	Укажите характерные особенности непараметрических методов оценива-
ния спектральной плотности мощности
Г лава седьмая

МЕТРОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ИИС

7.1.	Основные положения

Важным фактором эффективного применения ИИС является их
метрологическое обеспечение, которое должно выполняться на эта-
пах создания и эксплуатации ИИС на основании законодательных и
нормативных актов [1—57]. Метрологическое обеспечение ИИС —
это совокупность мероприятий научного, технического и организа-
ционного характера, обеспечивающих единство и необходимую точ-
ность измерений систем, которые характеризуются многообразием
видов измерений, а также значительным диапазоном получаемых
погрешностей, сочетающихся в одном образце системы.

Мероприятия научного характера включают разработку различ-
ных методов и способов обеспечения требуемой точности измере-
ний, воплощаемых в методики выполнения измерений, методические
указания, руководящие документы и государственные или отрасле-
вые стандарты (ГОСТ, ОСТ).

К мероприятиям технического характера относятся разработка и
применение технических средств передачи по измерительным кана-
лам ИИС различных физических величин, а также разработка и тех-
ническая реализация поверочных схем.

Мероприятия организационного характера предполагают деятель-
ность метрологических служб осуществляющих метрологический
надзор в целях совершенствования парка ИИС путём внедрения в
практику новых методов и средств измерений и поддержания их мет-
рологической надёжности. Деятельность метрологических служб по
метрологическому обеспечению ИИС регламентируют документа-
цией, включающей в себя головной документ по метрологическому
обеспечению ИИС [46], а также [47—50], [58] и другие (для ИИС
военного назначения), в которых определена специфика метрологи-
ческого обеспечения ИИС [56, 57].

Метрологическое обеспечение ИИС на этапах их жизненного
цикла включает традиционные для средств измерений виды деятель-
ности (табл. 7.1) [46].

На протяжении жизненного цикла ИИС задачи метрологического
обеспечения могут претерпевать изменения от этапа к этапу, при
этом его эффективность зависит от совместных усилий разработчи-
Таблица 7.1

Виды деятельности по метрологическому обеспечению ИИС

Задачи метрологического обеспечения ИИС	Этапы жизненного никла ИИС		
	Разработка	Производство	Эксплуатация
Нормирование и расчет метрологиче- ских характеристик измерительных каналов	X	—	
Метрологическая экспертиза техниче- ской документации	X	—	—
Испытания с целью утверждения типа, утверждение типа и испытания на соответствие утвержденному типу, сертификация	X	X	—
Поверка и калибровка	—	X	X
Метрологический надзор за выпуском, монтажом, наладкой, состоянием и применением	X	X	X

ков, изготовителей, заказчиков ИИС и метрологических служб, осу-
ществляющих их метрологическое обеспечение. Наиболее важными
и ответственными задачами метрологического обеспечения ИИС
являются нормирование и контроль (определение) метрологических
характеристик (МХ) измерительных каналов ИИС, метрологическая
экспертиза, испытания и поверка (калибровка). Метрологический
надзор за ИИС в целом осуществляется по тем же правилам, что и для
средств измерений. Организация, порядок проведения и содержание
работ, проводимых в процессе осуществления государственного мет-
рологического надзора за выпуском, состоянием и применением ИИС
определяются ГОСТ РВ 8.578 [57], правилами ПР 50.2.002 [54], а мет-
рологический надзор за состоянием и применением ИИС — докумен-
том МИ 2304 [55].

В составе ИИС, как и в других сложных системах (системах конт-
роля, диагностирования, распознавания образов, испытания оборудо-
вания, автоматических системах управления технологическими про-
цессами и др.), может быть выделена на функциональном уровне
измерительная часть, то есть измерительная система (ИС), которая
может использоваться и автономно. Дальнейшее изложение вопросов
метрологического обеспечения ИИС распространяется на следую-
щие виды ИС [46]:

выпускаемые изготовителем как законченные укомплектованные
(за исключением, в ряде случаев, линий связи и электронных вычис-
лительных машин) изделия, для установки которых на месте эксплуа-
тации достаточно указаний, приведенных в эксплуатационной доку-
ментации, в которой нормированы метрологические характеристики
измерительных каналов системы (ИС-1);

проектируемые для конкретных объектов (группы типовых объек-
тов) из компонентов ИС, выпускаемых, как правило, различными
изготовителями, и принимаемые как законченные изделия непос-
редственно на объекте эксплуатации.

Установку таких ИС на месте эксплуатации осуществляют в соот-
ветствии с проектной документацией на ИС и эксплуатационной
документацией на ее компоненты, в которой нормированы метроло-
гические характеристики соответственно измерительных каналов ИС
и ее компонентов (далее — ИС-2).

Измерительная система — совокупность измерительных, связую-
щих, вычислительных компонентов, образующих измерительные
каналы, и вспомогательных устройств (компонентов измерительной
системы), функционирующих как единое целое, предназначенная для:

получения информации о состоянии объекта с помощью измери-
тельных преобразований в общем случае множества изменяющихся
во времени и распределенных в пространстве величин, характеризу-
ющих это состояние;

машинной обработки результатов измерений;

регистрации и индикации результатов измерений и результатов их
машинной обработки;

преобразования этих данных в выходные сигналы системы в раз-
ных целях.

Дадим определения составных частей ИС.

Измерительный канал ИС — конструктивно или функцио-
нально выделяемая часть ИС, выполняющая законченную функцию
от восприятия измеряемой величины до получения результата ее
измерений, выражаемого числом или соответствующим ему кодом, или
до получения аналогового сигнала, один из параметров которого —
функция измеряемой величины.

Компонент измерительной системы — входящее в состав ИС
техническое устройство, выполняющее одну из функций, предусмот-
ренных процессом измерений. В соответствии с этими функциями
компоненты подразделяют на измерительные и вспомогательные.

Измерительный компонент измерительной системы — сред-
ство измерений, для которого отдельно нормированы метрологиче-
ские характеристики, например, измерительный прибор или измери-
тельный преобразователь, в качестве которого может использоваться
первичный преобразователь, включая устройства для передачи воз-
действия измеряемой величины на промежуточный чувствительный
элемент (в том числе модуль аналогового ввода-вывода), измеритель-
ный коммутатор, искробезопасный барьер, аналоговый фильтр и т.п.
К измерительным компонентам относят и так называемые аналого-
вые «вычислительные» устройства, выполняющие по существу не
вычисления (операции над числами), а измерительные преобразова-
ния. Такие устройства относят к группе аналоговых функциональных
преобразователей или приборов с одним или несколькими входами.

Связующий компонент измерительной системы — техниче-
ское устройство или часть окружающей среды, предназначенное или
используемое для передачи с минимально возможными искажениями
сигналов, несущих информацию об измеряемой величине от одного
компонента ИС к другому. Связующим элементом может быть про-
водная линия связи, радиоканал, телефонная линия связи, высоко-
вольтная линия электропередачи с соответствующей каналообразую-
щей аппаратурой, а также переходные устройства — клеммные
колодки, кабельные разъемы и т.п.

Вычислительный компонент измерительной системы — циф-
ровое вычислительное устройство (или его часть) с программным
обеспечением, выполняющее вычисления результатов прямых, кос-
венных, совместных или совокупных измерений (выражаемых чис-
лом или соответствующим ему кодом) по результатам первичных
измерительных преобразований в ИС, а также логические операции
и управление работой ИС. В отдельных случаях вычислительный
компонент может входить в состав измерительного компонента, мет-
рологические характеристики которого нормированы с учетом про-
граммы, реализуемой вычислительным компонентом.

Комплексный компонент измерительной системы (измери-
тельно-вычислительный комплекс) — конструктивно объединен-
ная или территориально локализованная совокупность компонентов,
составляющая часть ИС, как правило, завершающая измерительные
преобразования, вычислительные и логические операции, преду-
смотренные процессом измерений и алгоритмами обработки резуль-
татов в иных целях, а также выработку выходных сигналов системы.
Комплексный компонент ИС — это вторичная часть ИС, восприни-
мающая, как правило, сигналы от первичных измерительных преоб-
разователей. Примерами комплексных компонентов ПС могут слу-
жить контроллеры, программно-технические комплексы, блоки
удаленного ввода-вывода и т.п. Комплексный компонент ИС, а также
некоторые измерительные и связующие компоненты ИС могут пред-
ставлять собой многоканальные устройства. В этом случае разли-
чают отдельные измерительные каналы указанных компонентов.

Вспомогательный компонент измерительной системы — тех-
ническое устройство (блок питания, система вентиляции, устройства,
обеспечивающие удобство управления и эксплуатации ИС и т.п.),
обеспечивающее нормальное функционирование ИС, но не участву-
ющее непосредственно в измерительных преобразованиях.

С точки зрения метрологии наиболее важной составной часть
любой измерительной системы является измерительный канал (ИК).
Измерительные каналы ИС могут быть простыми и сложными.
В простом измерительном канале реализуется прямой метод измере-
ний путем последовательных измерительных преобразований. Слож-
ный измерительный канал в первичной части представляет собой
совокупность нескольких простых измерительных каналов, сигналы
с выхода которых используются для получения результата косвен-
ных, совокупных или совместных измерении или для получения про-
порциональных им сигналов во вторичной части сложного измери-
тельного канала ИС.

Необходимым условием метрологического обеспечения ИС явля-
ется наличие в технической документации исчерпывающего перечня
измерительных каналов ИС и их метрологических характеристик

Описание измерительных каналов включает: указание мест соеди-
нений компонентов ИС, между которыми определен измерительный
канал, описание состава измерительных каналов и описание алго-
ритма обработки промежуточных результатов измерений в измери-
тельных каналах для получения конечного результата измерений.

Метрологическими характеристиками (МХ) измерительной
системы называются такие характеристики её свойств, которые ока-
зывают влияние на результаты измерений и их погрешности. При
выборе метрологических характеристик на стадии метрологической
экспертизы ИС исходят из анализа содержания измерительных задач,
выполняемых ИС, а также из структурного представления системы.
На этом этапе важно правильно выделить в системе структурную
единицу — измерительный канал, то есть цепочку последовательно
соединенных измерительных и преобразующих элементов (датчиков,
нормирующих преобразователей, измерительных приборов, комму-
таторов и т.п.), участвующих в преобразовании входного сигнала в
выходной.

Сущность и содержание МХ определяются сущностью и содержа-
нием решаемых системой измерительных задач, поэтому методы их
регламентации и определения выбираются в зависимости от назначе-
ния и условий функционирования ИС. Для каждого из ИК выбирают,
определяют и нормируют свои МХ. Под нормированием понимают
установление допустимых границ отклонения МХ. Такое ограниче-
ние обеспечивает необходимую точность и единство измерений в
масштабах предприятия, отрасли и страны в целом. Установление
номенклатуры и регламентация МХ измерительного канала прово-
дится организациями, разрабатывающими (проектирующими) ИИС,
в соответствии с [48].

ИС являются разновидностью средств измерений и на них рас-
пространяются все общие требования к средствам измерений. Для
ИС, входящих в состав более сложных структур, следует учитывать
требования комплекса стандартов и нормативных документов на
автоматизированные системы (ГОСТ 34.201, 34.601, 34.602 и другие
документы этого комплекса).

7.2.	Нормирование метрологических характеристик ИИС

Метрологические характеристики регламентируются в норматив-
ной и технической документации на ИИС, а именно, в стандартах
(общих) технических требований (условий), в технических заданиях,
в технических условиях, в технологической, эксплуатационной и
другой документации.

Метрологические характеристики ИС нормируют для каждого
измерительного канала ИС и при необходимости для комплексных и
измерительных компонентов ИС. Для измерительных каналов ИС-1,
а также для измерительных каналов, предназначенных для использо-
вания в составе различных типов ИС или ИС более сложных струк-
тур, изготовитель, как правило, устанавливает нормы на метрологи-
ческие характеристики измерительных каналов в целом в
соответствии с ГОСТ 8.009 и с учетом [48].

Нормированные метрологические характеристики измерительных
каналов должны обеспечивать:

расчет характеристик погрешности измерений, выполняемых в
измерительном канале в рабочих условиях эксплуатации;
контроль при испытаниях и поверке ИС на соответствие нормиро-
ванным метрологическим характеристикам измерительного канала ИС.

При этом, если экспериментальное определение (контроль) мет-
рологических характеристик не может быть обеспечено для ИК в
целом, то метрологические характеристики нормируют для тех час-
тей измерительного канала, для которых такое определение воз-
можно. В совокупности указанные части должны образовывать изме-
рительный канал в целом.

Для измерительных каналов ИС-2 в качестве метрологических
характеристик каждого измерительного канала допускается норми-
ровать характеристики погрешности по ГОСТ 8.009 при нормальных
условиях эксплуатации измерительных компонентов. При рабочих
условиях эксплуатации метрологические характеристики ИК опреде-
ляются таким сочетанием влияющих величин, при которых характе-
ристики погрешности ИК имеют наибольшее значение по абсолютной
величине. Можно также нормировать характеристики погрешностей
ИК для промежуточных сочетаний влияющих величин. Указанные
значения характеристик погрешности ИК следует подтверждать их
расчетом по метрологическим и другим характеристикам компонен-
тов ИС, образующих измерительный канал.

Расчетные значения характеристик погрешности измерительных
каналов ИС-2 не подлежат обязательной экспериментальной про-
верке. Однако должен быть обеспечен контроль метрологических
характеристик всех компонентов ИС, нормы на которые используют
в качестве исходных данных при расчете. Эти требования также рас-
пространяются на измерительные каналы ИС-1, для которых не
может быть обеспечена экспериментальная проверка метрологиче-
ских характеристик измерительных каналов в целом.

При расчете характеристик погрешности ИК рекомендуется руко-
водствоваться [58, 60], а также другими действующими норматив-
ными документами по расчету характеристик погрешности измере-
ний общего (основополагающего) характера, например ГОСТ 8.207 и
[61—65], нормативными документами по видам измерений и обла-
стям применения средств измерений. Для комплексных компонентов
ИС нормирование метрологических характеристик осуществляют по
ГОСТ 8.009 с учётом ГОСТ Р 51841, а для измерительных компонен-
тов ИС — по ГОСТ 8.009 и ГОСТ 8.256 с учётом нормативных доку-
ментов на конкретные виды средств измерений.
Нормированные метрологические характеристики комплексных и
измерительных компонентов должны обеспечивать:

расчет характеристик погрешности измерительных каналов ИС в
рабочих условиях эксплуатации по нормированным метрологиче-
ским характеристикам компонентов;

контроль указанных компонентов при испытаниях для целей
утверждения типа и поверке на соответствие нормированным метро-
логическим характеристикам.

Если в измерительном компоненте присутствуют программы, реа-
лизующие вычислительные компоненты ИС, и свойства этих про-
грамм не учтены при нормировании метрологических характеристик
соответствующих измерительных компонентов, то нормируют харак-
теристики погрешности вычислений, обусловленной алгоритмом
вычислений и его программной реализацией. При необходимости
нормируют также и другие характеристики с учетом особенностей
вычислительного алгоритма, которые влияют на характеристики
составляющей погрешности измерительного канала, вносимой про-
граммой обработки результатов измерений. Документация на ИС
должна содержать такое описание алгоритма и реализующей его про-
граммы или метода имитационного моделирования, которое позволяло
бы определить характеристики погрешности результата прямых, кос-
венных, совокупных или совместных измерении по характеристикам
погрешности той части измерительных каналов ИС, которая пред-
шествует вычислительному компоненту.

Для связующих компонентов ИС нормируют такие характерис-
тики, которые либо обеспечивают пренебрежимо малое значение
составляющей погрешности ИК, вносимой связующим компонентом,
либо позволяют определить значение этой составляющей.

7.3.	Метрологическая экспертиза технической
документации ИИС

В зависимости от вида и этапа жизненного цикла ИИС метрологи-
ческими службами организаций проводится метрологическая экспер-
тиза технической документации [46, 68].

Метрологической экспертизе подвергают следующую докумен-
тацию:

техническое задание (далее — ТЗ) на разработку ИС-1 или проек-
тирование ИС-2;

технические условия (далее — ТУ) для отечественных ИС-1,
руководство по эксплуатации, конструкторскую и технологическую
документацию — для ИС-1;
проектную и эксплуатационную документацию, предназначенную
для комплектации, монтажа, наладки и эксплуатации — для ИС-2;

методику расчета метрологических характеристик измерительных
каналов ИС по метрологическим характеристикам измерительных и
связующих компонентов с учетом, при необходимости, программы
обработки, реализуемой вычислительным компонентом — для ИС-2;

программу и методику испытаний ИС;

проект нормативного документа на методику поверки (калиб-
ровки) ИС.

Метрологическую экспертизу технической документации на ИС
проводят в соответствии с [53, 67, 68] метрологические службы юри-
дических лиц, аккредитованные в соответствии с [69], головные и
базовые организации метрологической службы в отраслях, а также
органы Государственной метрологической службы, государственные
научные метрологические центры и другие специализированные
организации, аккредитованные в соответствии с [70] в качестве госу-
дарственных центров испытании ИС.

Основным содержанием метрологической экспертизы ТЗ на раз-
работку ИС, содержащего исходные данные для проектирования,
является проверка достаточности исходных требований, приводимых
в проекте ТЗ для рационального нормирования метрологических
характеристик измерительных каналов на этапе их разработки и постро-
ения эффективного способа метрологического обеспечения ИС на
последующих этапах ее жизненного цикла.

К исходным требованиям относят:

назначение ИС и сведения об ее использовании в сфере (или вне
сферы) государственного метрологического контроля и надзора;

сведения об измеряемых величинах и их характеристиках
(диапазоне значений, возможных изменениях в процессе измерений
и т.п.);

перечни измерительных каналов и нормы на их погрешности;

условия измерений (с учетом протяженности измерительных
каналов ИС);

условия метрологического обслуживания (например, отсутствие
доступа к входу ИС) и т.п.

Основным содержанием метрологической экспертизы ТУ, а также
конструкторской, технологической, проектной и эксплуатационной
документации является проверка соответствия заложенных в ТУ и
указанной документации комплексов метрологических характери-
стик измерительных каналов и их компонентов, методов и средств их
определения, контроля и (или) расчета исходным требованиям ТЗ и
[48], а также проверка соблюдения метрологических требований,
правил и норм, регламентируемых документами ГСИ, ЕСКД,
ЕСТПП, ЕСПД, СНиП, стандартами отраслей и предприятий и дру-
гими документами, содержащими специфические для отрасли и
предприятия правила и нормы.

При проведении метрологической экспертизы, в частности,
проверяют:

наличие в ТУ, проектной и эксплуатационной документации пол-
ного перечня измерительных каналов с указанием их структуры и
метрологических требований к ним, перечня измерительных, связу-
ющих и вычислительных компонентов, образующих каждый измери-
тельный канал.

проектов документов на методики поверки ИС, их компонентов и
методик расчета метрологических характеристик ИС по метрологи-
ческим характеристикам ее компонентов (для ИС-2);

контролепригодность конструкции ИС, то есть возможность
оценки конструкции с точки зрения обеспечения удобства контроля
или определения метрологических характеристик ИС (или других
параметров и характеристик, связанных с метрологическими харак-
теристиками и обеспечивающих их требуемые значения) в процессе
ее изготовления, испытаний, эксплуатации и ремонта;

наличие в проектной документации, предназначенной для мон-
тажа и наладки ИС на объекте, требований к параметрам и характе-
ристикам, необходимым для контроля качества монтажа ИС на объ-
екте (в том числе к сопротивлению изоляции электрических цепей,
правильности установки первичных измерительных преобразовате-
лей и соединительных коробок, к монтажу компонентов ИС, к каче-
ству экранирования внешнего монтажа, заземления и выполнения
контура логического нуля и др ), для проверки соблюдения проект-
ных требований к параметрам связующих компонентов, которые ока-
зывают влияние на метрологические характеристики измерительных
каналов, в частности к параметрам цифровых линий связи использу-
ется ГОСТ Р МЭК 870-5-1;

наличие материалов, содержащих результаты проверки соответст-
вия указанных выше параметров и характеристик заданным для них
требованиям;

наличие и содержание материалов (протоколов, актов, журналов,
отчетов и т.п.) исследовательских, предварительных испытаний,
испытаний в процессе опытной эксплуатации (то есть испытаний на
различных стадиях жизненного цикла ИС), касающихся метрологи-
ческих свойств ИС.

Экспертизу номенклатуры метрологических характеристик изме-
рительных каналов ИС проводят с учетом ГОСТ 8.009, ГОСТ 8.256,
[48], а для комплексных компонентов с учетом ГОСТ Р 51841.

Экспертизу методик расчета метрологических характеристик изме-
рительных каналов ИС проводят с учетом [49, 58, 60].

Экспертизу программ и методик испытаний, проектов документов
на методики поверки (калибровки) ИС проводят в соответствии с
указаниями последующих разделов.

7.4.	Испытания, утверждение типа и сертификация ИИС

Испытания для целей утверждения типа ИС проводят для систем,
подлежащих применению в сферах распространения государствен-
ного метрологического контроля и надзора. Если в сферах распро-
странения государственного метрологического контроля и надзора
подлежит применению только часть из общего числа измерительных
каналов ИС, а другая часть — вне этих сфер, то испытаниям для
целей утверждения типа ИС подвергают только первую часть изме-
рительных каналов. При утверждении типа такой ИС в описании
типа, являющемся неотъемлемой частью сертификата об утвержде-
нии типа, указывают те измерительные каналы, на которые распро-
страняется сертификат. Допускается вместо сертификата на такие ИС
оформлять сертификат на измерительные каналы с обязательным
указанием наименования ИС, в которую эти измерительные каналы
входят как составная часть. Если измерительный канал предназначен
для использования в составе различных типов ИС или более слож-
ных структур, то может быть утвержден тип такого измерительного
канала без указания наименования конкретной ИС. При испытаниях
для целей утверждения типа ИС, в состав которых включен такой
измерительный канал утвержденного типа, необходима проверка
совместимости этого канала с остальной частью ИС, в частности,
проверка отсутствия влияния их друг на друга.

Утверждение типа ИС-2 осуществляют:

для единичных экземпляров ИС-2, спроектированных для кон-
кретных объектов;

для ИС-2, устанавливаемых по типовому проекту на различных
объектах, с выдачей сертификата утверждения типа на срок не более
5 лет без ограничения количества устанавливаемых экземпляров ИС-2.
При этом проектную организацию приравнивают к изготовителю ИС.
Для ИС, входящих в состав более сложных структур, сертификат
утверждения типа оформляют на ИС с указанием наименования
более сложной структуры. Допускается оформлять сертификат
утверждения типа на информационно-измерительные системы, сис-
темы контроля и диагностирования и другие сложные структуры,
основной частью которых является ИС, если эти структуры предна-
значены для получения количественной информации об объектах.

Испытания для целей утверждения типа ИС, измерительных
каналов и комплексных компонентов проводят по программам и в
порядке, общие требования к которым изложены в [50, 51, 56, 74, 75]
и других документах для ИС военного назначения.

В программах испытаний ИС-1, измерительных каналов, предна-
значенных для использования в составе различных типов ИС, и ком-
плексных компонентов (как отечественных, так и импортируемых)
следует предусматривать ознакомление с системой качества, исполь-
зуемой изготовителем. При утверждении типа единичных экземпля-
ров ознакомление с системой качест ва допускается не проводить.

В составе измерительных каналов ИС-2, на которые рас-
пространяется сертификат утверждения типа, допускается применять
измерительные и комплексные компоненты только утвержденных
типов. Исключение составляют измерительные каналы утвержденных
типов без указания наименования ИС, а также измерительные каналы,
для которых в эксплуатационной документации нормированы метро-
логические характеристики, канала в целом и комплектная поверка
которых (поверка измерительного канала в целом) обеспечена необхо-
димыми методами и средствами.

Программы, реализуемые вычислительным компонентом, подле-
жат метрологической аттестации в соответствии с [76], если они вли-
яют на результаты и погрешности измерений, но при этом не исполь-
зованы в процессе экспериментальной проверки измерительных
каналов при испытаниях ИС или комплексного компонента, а также
если предусмотрена возможность модификации этих программ в
процессе эксплуатации ИС. Программы должны быть защищены от
несанкционированного доступа. В любом случае техническая доку-
ментация на ИС или комплексный компонент, представляемая на
испытания для целей утверждения типа, должна содержать описание
алгоритма обработки измерительной информации и идентифицирую-
щие признаки реализующей его программы (номер версии, объем
программы и т.п.). При модификации программы разработчиком или
в процессе эксплуатации в той части, которая связана с обработкой
измерительной информации, новая версия программы должна быть
представлена на метрологическую аттестацию в организацию, про-
водившую испытания ИС (комплексного компонента) с целью
утверждения типа.

Испытания в системах обязательной сертификации ИС и компо-
нентов ИС, подлежащих обязательной сертификации в системе
ГОСТ Р или других системах в соответствии с действующим законо-
дательством, должны предшествовать утверждению типа ИС. Допус-
кается испытания в системах обязательной сертификации ИС и ком-
понентов ИС проводить одновременно с испытаниями с целью
утверждения типа. Испытания в системе добровольной сертифика-
ции средств измерений проводят по программам и в порядке, общие
требования к которым изложены в [71—73].

Испытания на соответствие утвержденному типу проводят для
ИС-1, комплексных и измерительных компонентов в порядке,
изложенном в [51].

7.5.	Поверка и калибровка ИИС

Поверке подвергают измерительные каналы ИС, на которые рас-
пространен сертификат утверждения типа, подлежащие применению
или применяемые в сферах распространения государственного мет-
рологического контроля и надзора:

ИС-1 проверяют первично при выпуске из производства или
ремонта, при ввозе по импорту и периодически в процессе эксплуа-
тации. Необходимость первичной поверки измерительных каналов
ИС-1 после установки на объекте определяют при утверждении типа
ИС-1;

ИС-2 проверяют первично при вводе в постоянную эксплуатацию
после установки на объекте пли после ремонта (замены) компонен-
тов ИС-2, влияющих на погрешность измерительных каналов, и
периодически в процессе эксплуатации.

Если в сфере распространения государственного метрологиче-
ского контроля и надзора применяют только часть из общего числа
измерительных каналов ИС, на которые распространен сертификат
утверждения типа, а оставшуюся часть — вне этой сферы, то поверке
следует подвергать только первую часть измерительных каналов, а
оставшуюся часть измерительных каналов подвергают калибровке. В
свидетельстве о поверке или сертификате о калибровке таких ИС
указывают те каналы, на которые они распространены. Организация,
осуществляющая поверку измерительных каналов ИС и ее порядок
установлены в [52, 77 — 79].
Поверку проводят в соответствии с нормативными документами
на методики поверки измерительных каналов ИС, разрабатываемыми
в соответствии с [80] и с учетом рекомендации [48, 49, 58 — 61]. При
первичной поверке ИС-2, установленных по типовому проекту,
обязательно проверяют соответствие конкретного экземпляра ИС-2
типовому проекту в части комплектности и других требований проекта.

Рекомендуются следующие способы поверки измерительных
каналов ИС:

измерительные каналы ИС-1, как правило, подвергают комплекс-
ной поверке, при которой контролируют метрологические характе-
ристики измерительных каналов ИС в целом (от входа до выхода
канала);

измерительные каналы ИС-2, как правило, подвергают покомпо-
нентной (поэлементной) поверке: демонтированные первичные
измерительные преобразователи (датчики) — в лабораторных усло-
виях; вторичную часть — комплексный компонент, включая линии
связи, на месте установки ИС при одновременном контроле всех вли-
яющих факторов, действующих на отдельные компоненты.

При наличии специализированных переносных эталонов или
передвижных эталонных лабораторий и доступности входов ИС-2
комплектная поверка измерительных каналов ИС-2 на месте уста-
новки предпочтительна. При необходимости допускаемые значения
метрологических характеристик измерительных каналов ИС или
комплексных компонентов, поверяемых на месте установки, опреде-
ляют расчетным путем по нормированным метрологическим харак-
теристикам измерительных компонентов для условий, сложившихся
на момент поверки и отличающихся от нормальных условий.

Для программ, реализуемых вычислительным компонентом, про-
веряют их соответствие аттестованным программам и защищенность
от несанкционированного доступа.

Калибровке подвергают измерительные каналы ИС, не подле-
жащие применению или не применяемые в сферах распространения
государственного метрологического контроля и надзора. Калибровку
измерительных каналов ИС проводят в соответствии с [81 и 82].

Контрольные вопросы к главе 7

1.	Назовите основополагающие законодательные и нормативные документы
по метрологическому обеспечению ИИС.

2.	Дайте определение метрологическому обеспечению ИИС.

3.	Назовите виды деятельности по метрологическому обеспечению ИИС.
4.	Дайте определение понятиям метрологическая характеристика, измери-
тельный канал. Приведите примеры.

5.	Что такое нормирование метрологических характеристик? Назовите основ-
ные принципы регламентации метрологических характеристик.

6.	Приведите примеры метрологических характеристик ИК, определяемых
экспериментально или расчетно-экспериментально.

7.	Назовите методы контроля МХ ИК ИИС. Приведите примеры.

8.	Перечислите перечень работ, выполняемых при проведении метрологиче-
ской экспертизы технической документации ИИС.

9.	Назовите цель испытаний ИИС и приведите содержание программы испы-
таний.

10.	Какими документами определяется содержание работ по поверке ИИС?
Чем отличается поверка и калибровка ИИС?
Глава восьмая

ПРИМЕР РАЗРАБОТКИ ИНФОРМАЦИОННО-
ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ

8.1.	Общие замечания

Разработка информационно-измерительной системы для лабора-
торного эксперимента, промышленных испытаний или управления
технологическими процессами представляет собой весьма сложный
и многоплановый процесс. Как уже отмечалось, каждая такая сис-
тема включает в себя физический объект, датчики, органы управле-
ния, средства измерения и контроля, а также необходимое программ-
ное обеспечение. Это предъявляет весьма высокие требования к
разработчикам — системным интеграторам, уровень квалификации
которых должен отвечать современному состоянию науки, техники и
технологии.

Среди необходимых навыков системных интеграторов и требова-
ний, предъявляемых к ним, можно выделить следующие:

умение понять задачу заказчика и предложить для нее решение в
виде функциональной схемы ИИС;

обладать знаниями о принципах действия типовых функциональ-
ных элементов ИИС, таких как датчики, преобразователи сигналов
(нормализаторы и кондиционеры), измерительные приборы и блоки,
средства и органы управления, вычислительная и микропроцессорная
техника;

обладать знаниями о современных стандартах на отдельные компо-
ненты ИИС;

обладать знаниями о наличии на рынке современных стандартных
измерительных, управляющих и вычислительных средств;

иметь практические навыки и опыт работы с современными про-
граммными средствами проектирования и создания прикладных поль-
зовательских систем;

обладать знаниями в области теории управления, обработки и ана-
лиза сигналов и процессов;

иметь общие знания в области инженерного менеджмента и мар-
кетинга.
Уровень технических знаний должен позволять системному инте-
гратору проводить детальный анализ объекта автоматизации для раз-
личных прикладных областей и уметь формулировать требования к
системе автоматизации различного назначения (для научных и экспе-
риментальных исследований, контроля (мониторинга), тестирования и
диагностики, промышленных испытаний, управления технологиче-
скими процессами и т.п.). Он должен уметь разрабатывать техниче-
ский проект, структуру и состав системы, составлять детальную спе-
цификацию технических и программных средств, уметь подбирать и
обосновывать с технической точки зрения выбор датчиков и исполни-
тельных механизмов, электрических схем измерения и управления,
измерительно-управляющих систем, компьютеров и программного
обеспечения.

Кроме специальных технических знаний системный интегратор
должен иметь сведения о современном состоянии рынка элементов
систем автоматизации, продукции ведущих фирм, тенденциях разви-
тия систем автоматизации, вычислительной техники и программного
обеспечения. В рамках своей работы он должен с экономической точки
зрения обосновывать предлагаемые решения, уметь составлять тех-
нико-экономическое обоснование проектов и бизнес-план, иметь пред-
ставление о ценообразовании продукции, уметь вести деловую пере-
писку с фирмами-поставщиками, знать действующее таможенное
законодательство и т.п.

Становится понятным тот факт, что системная интеграция — это,
как правило, деятельность творческого коллектива высококвалифици-
рованных специалистов.

8.2.	Пример создания ИИС
для регистрации теплофизических параметров

Процесс создания системы начинается после получения фирмой —
системным интегратором (исполнителем) технического задания на
разработку ИИС от организации-заказчика и включает этапы собст-
венно разработки системы, проверки ее работоспособности, отладки и
сдачи заказчику.

Техническое задание включает в себя набор типовых разделов,
определяющих назначение работы, основные требования к техниче-
скому и программному обеспечению системы, порядок отчетности и
приемки системы заказчиком, возможность последующей доработки
системы и некоторые другие положения по согласованию с заказчи-
ком. На первом этапе техническое задание может быть достаточно
общим и уточняться в процессе совместной работы заказчика и испол-
нителя.

В качестве примера рассмотрим основные разделы технического
задания на проведение работы по теме «Создание ИИС для регистра-
ции теплофизических параметров».

Назначение системы. Информационно-измерительная система
предназначена для измерения, регистрации, обработки и хранения экс-
периментальных данных при проведении испытаний теплофизиче-
ского оборудования. Датчики должны обеспечивать первичное преоб-
разование основных физических параметров: давления, температуры,
частота вращения, токов и напряжений в заданных диапазонах.
Помимо научных целей, ИИС может быть использована в качестве
учебного стенда для проведения лабораторно-практических работ со
студентами и повышения квалификации сотрудников. Подключение
компьютера, входящего в состав ИИС, к локальной сети вуза или гло-
бальной сети 1п1ете1 позволяет использовать ее в составе распреде-
ленной межвузовской системы дистанционного лабораторного практи-
кума.

Основные технические требования. Информационно-измеритель-
ная система должна обеспечивать:

регистрацию аналоговых сигналов термопар при последовательном
опросе каналов с возможностью компенсации температуры холодного
спая;

регистрацию аналоговых потенциальных сигналов произвольных
датчиков физических величин в диапазоне от -10 до +10 В при после-
довательном опросе каналов;

регистрацию аналоговых токовых сигналов произвольных датчиков
физических величин в диапазоне от нуля до 20 мА при последователь-
ном опросе каналов;

регистрацию сигналов термометров сопротивления при последова-
тельном опросе каналов;

синхронную регистрацию до восьми потенциальных физических
величин (параметров);

регистрацию дискретных сигналов в стандарте ТТЬ-логики;

регистрацию сигналов с датчиков давления;
формирование дискретных сигналов управления в стандарте ТТЬ-
логики;

формирование по двум каналам аналоговых сигналов управления в
диапазоне от нуля до 10 В;

работу в составе корпоративной сети предприятия.

Разработанная ИИС должна удовлетворять следующим требованиям:

система должна быть разработана по модульному принципу на базе
современных открытых стандартов на измерительно-управляющее
оборудование;

структура ИИС должна обеспечивать возможность модернизации
путем установки требуемых модулей, замены модулей или замены
прикладного программного обеспечения (ПО);

техническое обеспечение ИИС должно допускать разработку поль-
зовательского ПО с использованием систем программирования
ЬаЬУТЕАМ и каЬ\\’нк1ои8/СУ1;

возможность работы в различных условиях (в цехах, лабораториях,
при удаленном доступе);

электропитание в системе должно осуществляться от промышлен-
ной сети 220 В.

Основные требования к базовому программному обеспечению. Базо-
вое прикладное ПО должно функционировать под управлением опера-
ционной системы М1СГО8ОЙ \\пк1о\У8 95/98/2000/ХР и обеспечивать:

первичную математическую обработку информации по заданным
формулам и градуировочным характеристикам;

возможность одновременно или по выбору оператора просматри-
вать измеряемые аналоговые и дискретные сигналы (параметры) в
темпе эксперимента;

формирование релейных управляющих сигналов как с рабочего
места оператора, так и по заранее заданной программе;

возможность хранения информации и обмена данными с другими
программными приложениями;

возможность тестирования и градуировки датчиков, проведения
калибровки как перед, так и во время проведения работ;

передачу результатов измерений в локальную сеть предприятия в
темпе эксперимента.

В процессе изучения технического задания временный трудовой
коллектив исполнителей (разработчиков ИИС), созданный для реше-
ния поставленной задачи, установил, что заказчик представляет себе
систему в общих чертах, прототипа системы не имел и опытом работы
с подобными системами не обладает, поэтому предполагается, что
исполнитель сформулирует более детальные предложения по пред-
стоящей разработке.

Разработка ИИС. Учитывая требования к условиям эксплуатации,
различную стоимость и технические характеристики элементов аппа-
ратуры возможно проработать и предложить заказчику несколько
вариантов системы. Ключевым моментом в создании любого варианта
данной системы является выбор датчиков и преобразователей физиче-
ских величин, подлежащих измерению. Программное обеспечение
должно быть ориентировано на пользователей, не являющихся про-
фессиональными программистами, т.е. быть максимально «дружест-
венным». Наряду с созданием систем исполнитель должен позабо-
титься об организации повышения квалификации специалистов
заказчика в области новых информационно-измерительных техноло-
гий и обучения пользователей работе с создаваемой системой.

Рассмотрим подробнее дополнительный перечень выполняемых
работ.

Выбор датчиков и первичных преобразователей физических вели-
чин. Анализ рынка отечественных серийных сертифицированных дат-
чиков, проведенный по каталогам предприятий и справочникам, пока-
зал:

что имеются датчики температуры, тока и напряжения, удовлетво-
ряющие требованиям технического задания;

вопрос о датчиках частоты вращения потребовал дополнительных
исследований, которые показали, что среди рассмотренных вариантов
оптические датчики и индукционные преобразователи являются наи-
более приемлемыми;

наибольшие трудности вызывает выбор малоинерционного высоко-
температурного датчика давления, поскольку на момент создания сис-
темы отечественная промышленность подобного рода датчики не
выпускает.

Разработчиками ИИС было предложено адаптировать для высоких
температур хорошо зарекомендовавший себя индукционный датчик
давления типа ДДИ-20. Модифицированный вариант датчика ДДИ-
20М [80] способен работать при температуре до 250 °С. Для снижения
рабочей температуры датчика на него устанавливают специальный
переходник, представляющий собой сравнительно короткую трубку из
нержавеющей стали с поперечными цилиндрическими ребрами, кото-
рый обеспечивает измерение постоянных или медленно меняющихся
давлений в объектах с температурами до 500 °С. Внутри полости пере-
ходника располагается специальный вытеснитель в виде заваренной на
конце трубки из нержавеющей стали, в результате чего горячий тепло-
носитель поступает к мембране датчика через узкую цилиндрическую
щель, уменьшая высоту которой можно существенно ограничить объем
теплоносителя, проходящего через переходник. Поскольку уменьшение
щели может привести к искажениям измеряемого сигнала (давления) за
счет большего гидравлического сопротивления переходника, необхо-
димо знать ее оптимальный размер, который можно установить экспе-
риментальным путем для разных объектов. Испытания датчика ДДИ-
20М на дизельных установках и сравнение индикаторных диаграмм,
полученных этим датчиком и эталонным датчиком немецкой фирмы
К1881ег, проводились специалистами исполнителя в Центральном
научно-исследовательском дизельном институте (ЦНИДИ) и показали,
что модернизированный датчик отечественного производства позво-
ляет надежно измерять давления с паспортной точностью (около 5 %) в
расширенном диапазоне температур (до 500 °С) при непрерывной
работе в этих условиях не менее 8—12 ч.

На этом примере показано, что выбор комплекта датчиков на теку-
щем этапе создания системы автоматизации отнюдь не тривиален и
требует от исполнителя достаточных знаний в разных областях.

Разработка вариантов структуры ИИС. Разрабатываемая система
должна включать в себя три функциональных уровня. Нижний уро-
вень включает первичные преобразователи—датчики с выходным
электрическим сигналом. Второй уровень системы представляет собой
аппаратные средства с соответствующей программной поддержкой.
Третий уровень системы составляет ее методическое, алгоритмическое
и программное обеспечение. Первый и третий уровни являются инва-
риантными по отношению к различным способам построения ИИС.

Вариантов построения ИИС может быть множество, однако для
решения конкретной задачи, сформулированной в техническом зада-
нии, наиболее перспективными являются три (рис. 8.1—8.3).
Рис. 8.1. Первый вариант конфигурации ИИС

Рис. 8.2. Второй вариант конфигурации ИИС

Первый вариант (см. рис. 8.1) предлагается построить на базе
настольного или портативного компьютера и набора необходимых
измерительных электронных карт-модулей, подключаемых к порту
стандартной магистрали РСМС1А или к стандартным разъемам мате-
ринской платы настольного компьютера (карты типа АТ-МЮ, РС1-
МЮ фирмы Ыайопа! 1п81штеп18). Данный вариант ИИС является наи-
более дешевым.

Второй вариант системы (см. рис. 8.2) строится на базе настоль-
ного, встроенного или портативного компьютера и включает опреде-
ленный набор функциональных модулей в стандартах РХ1 и 8СХ1.
Встроенный компьютер и модули вставляются в комбинированный
крейт с магистралями, разведенными согласно стандартам РХ1 и 8СХ1
(РХ1/8СХ1). Этот вариант ИИС достаточно компактен, он обеспечи-
вает расширенную систему временной синхронизации за счет воз-
Рис. 8.3. Третий вариант конфигурации ИИС

можностей используемых модулей, а также предоставляет большой
выбор модулей РХ1, номенклатура которых постоянно расширяется.
Кроме того, в системе могут использоваться широко распространен-
ные модули в стандарте Сошрас1:РС1, который рекомендуется для про-
ектирования и эксплуатации систем автоматизации, предназначенных
для достаточно сложных экспериментов и условий эксплуатации.

Третий вариант (см. рис. 8.3) реализуется на базе модулей в стан-
дарте УХ1 и встроенного, настольного или портативного компьютера.
Аппаратура в стандарте УХ1 включает переносной или стационарный
крейт с набором необходимых функциональных модулей. Управление
модулями осуществляется от компьютера через кабель магистрали,
подключаемый к разъему контроллера крейта УХ1.

Аппаратура в стандарте УХ1 является измерительной аппаратурой
высшего класса точности и ориентирована для применения в наиболее
сложных областях науки и промышленности. Этот вариант может
эффективно использоваться для периодической метрологической
поверки других вариантов систем, измерительных приборов и тари-
ровки датчиков.

Во всех трех вариантах количество и конкретный тип модулей и
измерительных карт определяются требованиями технического задания.

После обсуждения предложенных вариантов со специалистами
заказчика выбор был сделан в пользу системы, построенной на базе
стандартов РХ1/8СХ1, поскольку такой вариант имеет в данном случае
оптимальное соотношение стоимость — функциональные возможно-
сти — метрология. Конкретный набор устройств, выбранных по ката-
логам производителей, приводится в табл. 8.1.
Набор устройсп, дм	Та«««а 8.1

Наименование						• *	  Описание ~~~				
М РХ1-1042	Крейт РХ1	-——.		 	
МРХ1-8184	Встроенный компьютер			
М РХ1-6052Е	
8Н68-68 ЕР	Кабель			—		 дул^
ТВХ-68	Коннектор для подключения термопар			
ТВ-2705	Коннектор к М РХ1-6052Е		~			
8СХ1-1000	Крейт 8СХ1				—-
8СХ1-1349	Интерфейс РХ1/8СХ1	“	-	
8СХН102	Мультиплексор
8СХ1-1303	Коннектор к 8СХ1-1102
8СХ1-1140	Модуль усилителя
8СХ1-1305	Коннектор к 8СХ1-1140
№ РХ1-4070	Мультиметр

Разработка пользовательского программного обеспечения. Про-
граммное обеспечение пользовательского уровня состоит из ком-
плекта тестовых программ и программы проведения испытаний. Все
программы создаются в среде ЬаЬУГЕ\\'.

Набор тестовых программ, представляющих собой виртуальные
инструменты, включает:

виртуальный цифровой вольтметр для измерения напряжения по
любому каналу любого функционального модуля в режиме цифрового
интегрирующего вольтметра и отображения текущих значений полез-
ного сигнала и тренда. Программа используется для проверки работе
способности датчиков и линий связи. Панель виртуального вольтметра
приведена на рис. 8.4;

виртуальный цифровой осциллограф-спектроанализатор дл
рения напряжения по любому каналу любого функционал
модуля в режиме цифрового осциллографа с возможностью Р
временной развертки, коэффициента усиления и полярно’
того, виртуальный прибор позволяет рассчитывать сп
Рис. 8.4. Передняя панель виртуального вольтметра

характеристики сигнала. Программа используется для проверки рабо-
тоспособности датчиков и линий связи, а также для качественного
выявления помех. Панель виртуального осциллографа-спектроанали-
затора приведена на рис. 8.5;

Рис. 8.5. Передняя панель виртуального цифрового осциллографа-спектроанализатора
универсальный многоканальный регистратор для измерения произ-
вольного числа параметров с использованием измерительной аппара-
туры в стандартах РХ1/8СХ1. Регистратор позволяет поддерживать
базу данных каналов. Для каждого канала пользователь может опреде-
лить следующие атрибуты:

характеристики физической величины (название параметра, еди-
ница измерения, диапазон изменения);

характеристики режимов измерения (тип, номер, адрес, режимы
работы измерительного устройства, адрес коммутатора, канал комму-
татора, диапазоны изменения значений электрической величины);

способы математической обработки результатов измерений для
перевода измеренных электрических величин в исходные физические
(с использованием полиномиальной или логарифмической зависимо-
сти, произвольной формулы, таблично заданной градуировки и др.).

В процессе работы регистратор проводит непрерывное измерение в
каждом канале, расчеты физических величин, отображение результа-
тов на мониторе, архивирование данных на жесткий диск, трансляцию
в локальную сеть. Виртуальная панель регистратора приведена на
рис. 8.6.

Помимо тестовых программ, которые обычно используются во
время наладочных работ, разрабатывается одна или несколько про-
грамм проведения испытаний.

Программа проведения испытаний также имеет виртуальную
панель, с которой работает оператор. Как правило, на главной вирту-
альной панели изображаются статичная или анимационная схема экс-
периментальной установки, необходимые индикаторы режимных
параметров, органы управления, а также различные меню, виртуаль-
ные кнопки, переключатели. Программа проведения испытаний может
быть многоуровневой, в этом случае для реализации режимов проведе-
ния эксперимента и отображения результатов оператор может полу-
чать доступ к разным виртуальным панелям. Кроме того, на виртуаль-
ной панели может отображаться мультимедийная информация,
например видеоизображение действующей установки. Варианты
исполнения главных виртуальных панелей программ проведения
испытаний показаны на рис. 8.7.

Разработанная информационно-измерительная система полностью
удовлетворяет требованиям, сформулированным в техническом зада-
нии. Система может работать в режиме удаленного компьютерного
Рис. 8.6. Виртуальная панель универсального регистратора
доступа, что позволяет проводить обмен данными в различных режи-
мах — с использованием \УЕВ-интерфейса, с трансляцией исходных
данных в локальную сеть, а также при подключении самостоятельно
разработанных программных клиентов к серверу стенда с использова-
нием протоколов ТСР/1Р.

Повышение квалификации специалистов. В процессе работы над
созданием ИИС происходит постоянное сотрудничество специалистов
заказчика и исполнителя. Это объясняется, во-первых, тем, что спе-
циалисты заказчика хорошо знают объект автоматизации (рабочие
параметры, технологию, условия эксплуатации и т.п.) и поэтому могут
существенно помочь в разработке системы, например в области при-

Рис. 8.7. Главная панель программы для проведения испытаний
кладного математического обеспечения. Вторая причина кроется в
необходимости овладения заказчиком практическими навыками
работы с ИИС в целом и отдельными ее элементами. Такое взаимное
общение, безусловно, идет на пользу обеим сторонам.

Отметим, что вопрос обучения специалистов новым информаци-
онно-измерительным технологиям становится все более необходимым
в силу широкого проникновения автоматизации во все сферы реальной
жизни. Как правило, эти специалисты должны пройти необходимый
курс обучения в специализированных учебных центрах. В качестве
примера такого центра можно привести сертифицированный учебный
Центр новых информационно-измерительных систем и технологий
(ЦНИИСТ), созданный в Московском энергетическом институте (тех-
ническом университете) [81].

Программа обучения в ЦНИИСТ построена с учетом опыта работы
аналогичных учебных центров США и Западной Европы. В процессе
обучения используются технические и программные средства, соот-
ветствующие государственным российским и международным стан-
дартам и рекомендованные к применению в России.

Обучение в ЦНИИСТ проходит в компьютерном классе с выходом
в 1п1егпе1, в котором представлены системы автоматизации научного
эксперимента, лабораторных испытаний и управления технологиче-
скими процессами, которые включают:

разнообразные физические объекты исследования, например экспе-
риментальные стенды по исследованию гидродинамики и теплооб-
мена газов, жидкостей, жидких металлов и двухфазных сред;

физические модели объектов;

перспективные российские датчики: температуры, давления, скоро-
сти, расхода, частоты вращения и т.п.;

новейшие аппаратные средства в стандартах ОР1В, УХ1, РХ1, 8СХ1,
ПАО и программные средства разработки прикладного программного
обеспечения — ЬаЪУ1Е\У, ЕаЬ\\лпс1о\\ъ/СУ I;

портативные измерительно-управляющие и диагностические сис-
темы;

программно-аппаратные средства, обеспечивающие проведение
лабораторного эксперимента в дистанционном режиме.

ЦНИИСТ оснащен технологией автоматизированного лаборатор-
ного практикума с удаленным компьютерным доступом (АЛП УД) [1]
и проводит подготовку специалистов в этой области.
В процессе обучения на лекциях и лабораторно-практических заня-
тиях слушатели приобретают знания и навыки по темам:

компьютеры в системах автоматизации;

нижний уровень автоматизированной системы, датчики физиче-
ских величин;

измерительно-управляющая аппаратура автоматизированных систем;
программное обеспечение автоматизированных систем.

К преподаванию наряду со специалистами МЭИ (ТУ) и Центра
автоматизации теплофизических исследований (ЦАТИ) при МЭИ
привлекаются представители ведущих отечественных и зарубежных
фирм — производителей ИИС и их компонентов, специалисты мет-
рологической службы Госстандарта РФ. Слушатели, успешно про-
шедшие обучение, получают удостоверение государственного
образца о повышении квалификации. Опыт ЦНИИСТ показывает,
что подобного рода центры должны быть организованы в каждом
промышленном регионе России.

Контрольные вопросы к главе 8

1.	Какие требования предъявляются к системным интеграторам-проектиров-
щикам ИИС? Какими навыками они должны обладать?

2.	Из каких основных разделов состоит техническое задание на разработку
ИИС?

3.	Назовите основные этапы разработки и внедрения ИИС.

4.	Какие вопросы приходится решать разработчику на этапе анализа объекта
автоматизации?

5.	В какой последовательности проводится разработка прикладного програм-
много обеспечения?
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1.	Новое в концепции дистанционного образования — дистанционный лабора-
торный практикум / Ю.В. Арбузов, В.Н. Леньшин, С.И. Маслов и др. —
Проблемы информатизации высшей школы. Бюл. 1997. № 1—2 (7—8).
С. 50—58. (М.: ГОСНИИСИ).

2.	Кузьмичев Д.А., Радкевич И.А., Смирнов А.Д. Автоматизация экспери-
ментальных исследований. М.: Наука, 1983.

3.	Певчев Ю.Д., Финогенов К.Г. Автоматизация физического эксперимента.
М.: Энергоатомиздат, 1986.

4.	ГОСТ 34.003—90. Автоматизированные системы. Термины и определе-
ния. М., 1990.

5.	Виноградова Н.А., Есюткин А.А., Филаретов Г.Ф. Научно-методиче-
ские основы построения АСНИ. М.: Издательство МЭИ, 1989.

6.	Ковалев С.И., Свиридов В.Г., Соколов В.М. Автоматизация теплофизи-
ческого лабораторного эксперимента. М.: Издательство МЭИ, 1994.

7.	Мячев А.А., Степанов В.Н., Щербо В.К. Интерфейсные системы обра-
ботки данных. М.: Радио и связь, 1989.

8.	Чернявский Е.А., Недосекин Д.Д., Алексеев В.В. Измерительно-вычисли-
тельные средства автоматизации производственных процессов: Учеб,
пособие для вузов. Л.: Энергоатомиздат, 1989.

9.	Мячев А.А. Интерфейсы средств вычислительной техники: Справочник.
М.: Радио и связь, 1993.

10.	Мячев А.А. Интерфейсы и коммуникационные средства ПЭВМ. М.: Заоч.
ин-т повышения квалификации ИТР ЦП ВНТО приборостроителей
им. С.И. Вавилова, 1991.

11.	Могг18оп К. Сггошкйп^ апд зЫеКИп^ Щсйшдиез ш тзйшпепШюп. №. V.:
\УИеу, 1977.

12.	Сопряжение датчиков и устройств ввода данных с компьютерами 1ВМ
РС: Пер. с англ. / Под ред. У. Томпкинса, Дж. Уэбстера. М.: Мир, 1992.

13.	НеМей-Раскагй, ТНе Рипдатеп1а1 оГГ)а!а Асдшзйюп, 11е\\1еи-Раскагс1 Со.,
Ра1о АИо, СаШогта, И.8.А., 1990.

14.	Рыбаков А.Н., Зеленова Т.И. Локальная шина РС1: Обзор // Мир компью-
терной автоматизации. 1996. № 1. С. 11—16.

15.	Павлат Дж. СогпрасП’С! и стандарты компьютерной телефонии // Мир
компьютерной автоматизации. 1998. № 3. С. 34—36.

16.	Де Бруийн Й., Кохоек Р., Дейвид Р. Передовые технологии на
Сотрас1РС1 И Мир компьютерной автоматизации. 1998. № 3. С. 37—43.

17.	Ник Л. Иерархия мезонинных шин предоставляет возможности структу-
рированного ввода/вывода для промышленных компьютерных систем //
Мир компьютерной автоматизации. 1995. № 4. С. 55-—60.

18.	Буданов А.Н. Мезонинные контроллеры — настоящее и будущее про-
мышленных систем // Мир компьютерной автоматизации. 1995. № 2.
С. 9—14.


19.	Блэк Дж. Применение мезонинов РМС и 1Р в системах Сошрас1РС1 И
Мир компьютерной автоматизации. 1998. К 3. С. 44—48.

20.	Шмитц М. РС-М1Р — стандарт РС1-мезонина следующего поколения //
Мир компьютерной автоматизации. 1998. № 3. С. 49—53.

21.	ГОСТ 26.003—80. Система интерфейса для измерительных устройств с
байт-последовательным, бит-параллельным обменом информацией. Тре-
бования к совместимости. М., 1980.

22.	Науман Г., Майлинг В., Щербина А. Стандартные интерфейсы для изме-
рительной техники. М.: Мир, 1982.

23.	Глазунова Н.А., Карякин А.И., Филаретов Г.Ф. Стандартные интер-
фейсы: Учеб, пособие. М.: МЭИ, 1984.

24.	Рау С. Новая универсальная шина, построенная на основе аппаратных
средств стандарта Еигосагб И Электроника. 1982. № 26. С. 30—36.

25.	Шина УМЕ. Руководство по эксплуатации. Микросистемы. Моторола /
Всесоюз. центр переводов. М., 1983. И СР-82290.

26.	Мячев А.А., Иванов В.В. Интерфейсы вычислительных систем на базе
мини- и микроЭВМ / Под ред. Б.Н. Наумова. М.: Радио и связь. 1986.

27.	Рыбаков А.Н. Современные открытые международные стандарты для
построения интегрированных измерительных и управляющих систем реаль-
ного времени // Мир компьютерной автоматизации. 1995. № 1. С. 5—12.

28.	Леньшин В.Н. Информационно-измерительные технологии на базе стан-
дарта УХТ-Ьпз (обзор) // Мир компьютерной автоматизации. 1995. № 4.
С. 13—27.

29.	Уинклер К. УХ1 или УМЕ? // Мир компьютерной автоматизации. 1996.
№3. С. 5—11.

30.	Свиридов В.Г., Леньшин В.Н. Внедрение УХ1-систем в аэрокосмиче-
ском комплексе России // Мир компьютерной автоматизации. 1996. № 3.
С. 12—14.

31.	Хабопа1 1п81гитепК РХ1. 8рес1йсабоп, Кеу18юп 1.0, Ащщз! 20, 1997,
ХаПопа!1п81гитеп18 Со., Впс1ре Рот! Рагк\\ау, АизНп, 17.8.А., 1997.

32.	Зимин Е.Ф., Казанцев Ю.А., Кузовкин В.А. Электромагнитная совмес-
тимость информационных систем: Учеб, пособие по курсу «Электромаг-
нитная совместимость». М.: Издательство МЭИ, 1995.

33.	Шваб А. Электромагнитная совместимость: Пер. с нем. В.Д. Мазина и
С.А. Спектра / Под ред. А.П. Кушекина. М.: Энергоатомиздат, 1995.

34.	Отт Г. Методы подавления шумов и помех в электронных схемах. М.:
Мир, 1979.

35.	Волин М.Л. Паразитные процессы в радиоэлектронной аппаратуре. М.:
Сов. радио, 1972.

36.	Митчел Б. У18А — интеллектуальное ПО инструментального ввода/
вывода для УХ1 // Мир компьютерной автоматизации. 1996. № 3. С. 46—51.

37.	Пейч Л.И., Точилин Д.А., Поллак Б.П. РаЬУ1Е\\ для новичков и специа-
листов. М.: Горячая линия—Телеком, 2004.

38.	Теоретические основы теплотехники: Справочник / Под ред. А.В. Кли-
менко и В.М. Зорина. — 3-е изд. М.: Издательство МЭИ, 2001.
39.	Айвазян С.А., Мхитарян В.С. Прикладная статистика и основы эконо-
метрики. М.: Юнити, 1998.

40.	Бендат Дж., Пирсол А. Прикладной анализ случайных данных. М.:
Мир, 1973.

41.	Гольденберг Л.М., Матюшкин Б.Д., Поляк М.Н. Цифровая обработка
сигналов: Справочник. М.: Радио и связь, 1985.

42.	Марпл С.Л., мл. Цифровой спектральный анализ и его приложения. М.:
Мир, 1990.

43.	Грибанов Ю.И., Мальков В.Л. Спектральный анализ случайных процес-
сов. М.: Энергия, 1974.

44.	Тюрин Ю.А., Макаров А.А. Анализ данных на компьютере. М.: Финансы
и статистика, 1995.

45.	Закон РФ «Об обеспечении единства измерений». 27.04.1993 г. № 4871-1.

46.	ГОСТ Р 8.596—2002. ГСП. Метрологическое обеспечение измеритель-
ных систем. Основные положения.

47.	ГОСТ 27300—87. Информационно-измерительные системы. Общие тре-
бования, комплектность и правила составления эксплуатационной доку-
ментации.

48.	МИ 2439—97. ГСИ. Метрологические характеристики измерительных
систем. Номенклатура. Принципы регламентации, определения и конт-
роля.

49.	МИ 2440—97. ГСИ. Методы экспериментального определения и контроля
характеристик погрешности измерительных каналов измерительных сис-
тем и измерительных комплексов (взамен МИ 2313—94).

50.	МИ 2441—97. ГСИ. Испытания для целей утверждения типа измеритель-
ных систем. Общие требования.

51.	ПР 50.2.009—94. ГСИ. Порядок проведения испытаний и утверждения
типа СИ.

52.	ПР 50.2.006—94. ГСИ. Порядок проведения проверки средств измерений.

53.	МИ 1314—86. ГСИ. Порядок проведения метрологической экспертизы
технических заданий на разработку средств измерений.

54.	ПР 50.2.002—91. ГСИ. Порядок осуществления государственного метро-
логического надзора за выпуском, состоянием и применением средств
измерений, аттестованными методиками выполнения измерений, этало-
нами и соблюдением метрологических правил и норм.

55.	МИ 2304—94. ГСИ. Метрологический контроль и надзор, осуществляе-
мые метрологическими службами юридических лиц.

56.	ГОСТ РВ 8.560—95. ГСИ. Средства измерений военного назначения.
Испытания и утверждение типа.

57.	ГОСТ РВ 8.578—2000. ГСИ. Порядок проведения государственного мет-
рологического надзора.

58.	МИ 222—80. Методика расчета метрологических характеристик измери-
тельных каналов информационно-измерительных систем по метрологиче-
ским характеристикам компонентов.
59.	МИ 2539—99. ГСИ. Измерительные каналы контроллеров, измерительно-
вычислительных, управляющих, программно-технических комплексов.
Методика поверки.

60.	МИ 2168—91. ГСИ. ИИС. Методика расчета метрологических характе-
ристик измерительных каналов по метрологическим характеристикам
линейных аналоговых компонентов.

61.	МИ 2232—2000. ГСИ. Обеспечение эффективности измерений при управ-
лении технологическими процессами. Оценивание погрешности измере-
нии при ограниченной исходной информации.

62.	РД 50.453—84. Характеристики погрешности средств измерений в реаль-
ных условиях эксплуатации. Методы расчета.

63.	МИ 1552—86. ГСИ. Измерения прямые однократные. Оценивание погреш-
ностей результатов измерений.

64.	МИ 1730—87. ГСИ. Погрешности косвенных измерений характеристик
процессов. Методика расчета.

65.	МИ 2083—90. ГСИ. Измерения косвенные. Определение результатов
измерений и оценивание их погрешностей

66.	ГОСТ 8.009—84. ГСИ. Нормируемые метрологические характеристики
средств измерений.

67.	МИ 2267—2000. ГСИ. Обеспечение эффективности измерений при управ-
лении технологическими процессами. Метрологическая экспертиза техни-
ческой документации.

68.	ГОСТ РВ 8.573—2000. ГСИ. Метрологическая экспертиза образцов ВВТ.
Организация и порядок проведения.

69.	ПР 50.2.013—97. ГСИ. Порядок аккредитации метрологических служб
юридических лиц на право аттестации методик выполнения измерений и
проведения метрологической экспертизы документов.

70.	ПР 50.2.010—94. ГСИ. Требования к государственным центрам испыта-
ний средств измерений и порядок их аккредитации.

71.	МИ 2277—93. ГСИ. Сертификация средств измерений. Основные поло-
жения и порядок проведения работ.

72.	МИ 2278—93. ГСИ. Сертификация средств измерений. Органы по серти-
фикации. Порядок аккредитации.

73.	МИ 2279—93. ГСИ. Сертификация средств измерений. Порядок ведения
реестра системы.

74.	МИ 2146—98. ГСИ. Порядок разработки и требования к содержанию про-
грамм испытаний средств измерений для целей утверждения их типа.

75.	МИ 2376—96. ГСИ. Порядок проведения, оформления, рассмотрения
результатов испытаний и утверждения типа средств измерений военного
назначения, не предназначенных для серийного выпуска или ввозимых
из-за рубежа единичными экземплярами.

76.	МИ 2174—91. ГСИ. Аттестация алгоритмов и программ обработки дан-
ных при измерениях. Основные положения.

77.	ПР 50.2.012—94. ГСИ. Порядок аттестации поверителей средств измерений.

78.	ПР 50.2.014—94. ГСИ. Правила проведения аккредитации метрологичес-
ких служб юридических лиц на право поверки средств измерений.
79.	ГОСТ РВ 8.576—2000. ГСИ. Порядок проведения поверки средств изме-
рений в сфере обороны и безопасности РФ.

80.	МИ 2526—99. ГСИ. Нормативные документы на методики поверки
средств измерений. Основные положения.

81.	ПР 50.2.016—95. ГСИ. Требования к выполнению калибровочных работ.

82.	ПР 50.2.018—95. ГСИ. Порядок аккредитации метрологических служб
юридических лиц на право проведения калибровочных работ.

83.	Патент 2093806. Датчик для измерения быстроизменяющихся давлений
в высокотемпературных объектах // Изобретения. 1997. № 29.

84.	Учебный центр ЦНИИСТ: повышение квалификации специалистов
в области новых информационно-измерительных технологий / Т.Е. Крас-
нощекова, Я.И. Нистратов, В.Г. Свиридов и др. // Индустрия образования:
Сб. статей. 2002. Вып. 2. С. 65—68. (М.: МГИУ).
Учебное издание

Виноградова Наталия Александровна, Гайдученко Владимир Васильевич
Карякин Анатолий Иванович и др.

СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗАЦИИ
ТЕНЛОФИЗИЧЕСКОГО ЭКСПЕРИМЕНТА

Учебное пособие для вузов

Редактор издательства М.П. Соколова
Технический редактор ТА. Дворецкова
Корректор В. В. Сомова

Компьютерная верстка Л.Н. Тыгиной

Подписано в печать с оригинала-макета 23.07.07 Формат 60x90/16
Бумага офсетная	Гарнитура Таймс Печать офсетная

Усл. печ. л. 15,75	Уч.-изд.л. 14,9

Тираж 500 экз. (2-й завод, 301—500) Заказ № 1885. С-015

ЗАО «Издательский дом МЭИ», 111250, Москва, Красноказарменная, д. 14

Отпечатано в типографии «Наука», 121099, Москва, Шубнинский пер., 6