19111

Динамические характеристики измерительных систем

Практическая работа

Физика

Лекция № 7. Динамические характеристики измерительных систем Импульсная характеристика системы. Импульсной характеристикой стационарной измерительной системы описываемой оператором называют функцию являющуюся откликом системы на входной сигнал в виде функци...

Русский

2013-07-11

245 KB

9 чел.

Лекция № 7.  

Динамические характеристики измерительных систем

Импульсная характеристика системы. Импульсной характеристикой стационарной измерительной системы, описываемой оператором , называют функцию , являющуюся откликом системы на входной сигнал в виде -функции:

.                                                                                          (7.1)

Поскольку в частотной области связь между спектральными плотностями сигналов на входе и выходе и частотной характеристикой системы описывается выражением:

,                                                                       (7.2)

то с учетом:    ,                              (7.3)

Следовательно,                      (7.4)

и             .                                                           (7.5)

Формулы (7.4) и (7.5) устанавливают принципиально важный факт — частотная характеристика и импульсная характеристика  линейной стационарной системы связаны между собой прямым и обратным преобразованиями Фурье. Поэтому, зная функцию , всегда можно определить импульсную характеристику  и наоборот. Таким образом, любую систему можно рассматривать либо во временной области с помощью ее импульсной характеристики, либо в частотной области, анализируя  . Следует представлять, что импульсная характеристика, так же как и порождающая ее дельта-функция, – результат разумной идеализации. С физической точки зрения импульсная характеристика приближенно отображает реакцию системы на входной импульсный сигнал произвольной формы с единичной площадью при условии, что длительность этого сигнала   характерного временного масштаба системы, например, периода ее собственных колебаний.       

Переходная характеристика системы. Если на вход линейной стационарной системы, описываемой оператором ,  воздействует сигнал, отображаемый единичной функцией (функцией Хевисайда) , то выходную реакцию  называют переходной характеристикой системы. Так как единичная функция отлична от нуля при , то и переходная характеристика физически реализуемой системы отлична от нуля лишь при .  Можно показать, что между импульсной и переходной характеристиками имеется тесная связь – импульсная характеристика является производной от переходной характеристики:

.                                                                                    (7.6)

Интеграл Дюамеля. Знание импульсной характеристики линейной стационарной системы позволяет получить фундаментальное соотношение, связывающее входной и выходной сигналы. Действительно, входной сигнал допускает представление вида:

,                                                                (7.7)

называемое фильтрующим свойством -функции.  Отвечающая ему выходная реакция линейной стационарной системы запишется в виде:

.                                             (7.8)

Так как интеграл представляет собой предельное значение суммы, линейный оператор  на основании принципа суперпозиции может быть внесен под знак интеграла. Учитывая, что оператор воздействует лишь на величины, зависящие от текущего времени , но не от переменной интегрирования , получаем:

.                                                             (7.9)

С учетом равенства (7.1) окончательно получаем интеграл Дюамеля:

                                                                (7.10)

Соотношение (7.10) показывает, что выходной сигнал линейной стационарной системы представляет собой свертку двух функций: входного сигнала и импульсной характеристики системы. Для реальных систем (физически реализуемых) всегда выполняется условие:   при , т.к. реакция такой системы (отклик на входное воздействие) не может опережать само входное воздействие. Следовательно,

можно записать интеграл Дюамеля в виде:

.                                                                  (7.11)

Таким образом, линейная стационарная система, выполняя обработку поступающего на вход сигнала, проводит в момент времени  операцию взвешенного суммирования всех его мгновенных значений за все предыдущее время. Роль весовой функции выполняет при этом импульсная характеристика системы.

Физически реализуемая система должна быть, кроме того, устойчивой. Это означает, что ее импульсная характеристика должна удовлетворять условию абсолютной интегрируемости:

.                                                                                        (7.12)

Передаточная функция системы. Решение дифференциального уравнения линейной системы (6.4), связывающего водные воздействия и выходные сигналы, может быть осуществлено операторным методом с помощью интегрального преобразования Лапласа. Примем допущение, что  при . Тогда изображение по Лапласу входного и выходного сигналов будет иметь вид:

,                                                          (7.13)     

.                                                      (7.14)

Вычислив преобразование Лапласа от обеих частей уравнения (6.4) с учетом свойства , получим:

          (7.15)

Введем отношение изображений по Лапласу выходного и входного сигналов, называемое передаточной функцией или операторным коэффициентом передачи системы:

.                                       (7.16)

Если передаточная функция системы известна, то поиск выходной реакции системы на заданное входное воздействие  разбивается на три этапа:

  1.  ;
  2.  ;
  3.  .

Сигнал на выходе системы  находят с помощью обратного преобразования Лапласа:

                             (7.17)

Как известно, способ нахождения оригинала выходного сигнала по его изображению с помощью теоремы о вычетах без вычисления интеграла основан на представлении подынтегрального выражения (7.17) в виде отношения двух многочленов  , определении полюсов подынтегральной функции (значений , являющихся корнями знаменателя ) и вычислении по сумме вычетов  в соответствующих полюсах :

.                                                 (7.18)

При определении передаточных функций сложных систем, состоящих из ряда отдельных звеньев (преобразователей, функциональных блоков), вначале определяют передаточные функции отдельных звеньев. Далее, если эти звенья  соединены последовательно, определяют  общую передаточную функцию системы по формуле:

,                                                                                 (7.19)

где  – передаточные функции отдельных звеньев ( – число звеньев).

Если  звеньев какой либо системы соединены параллельно, то расчет результирующей передаточной функции этой части системы осуществляют по формуле:

.                                                                                 (7.20)

Пример. Определить форму сигнала на выходе кремниевого диффузионного детектора, вызванного регистрацией -частицы,  создавшей заряд  в рабочем объеме детектора.

Схема включения простейшего неоднородного полупроводникового детектора с

p-n переходом приведена на рисунке:

           Анализ схемы детектора показывает, что формирование импульса происходит на -цепи при протекании тока, вызванного движением носителей заряда (электронов и дырок) в рабочем объеме детектора. В ней  – резистор, включаемый в цепь для управления длительностью импульса;  – эквивалентная емкость, равная сумме собственной емкости детектора, входной емкости усилителя и емкости соединительного


кабеля. В первом приближении, пренебрегая процессами собирания носителей зарядов, при условии, что время собирания носителей  длительности импульса , получим упрощенную эквивалентную схему детектора:

Дифференциальное уравнение данной цепи, составленное относительно напряжения , имеет вид:

.                                                                        (7.21)                                                           

В операторном виде уравнение (7.21) записывается так:

.                                                                         (7.22)

Отсюда   ,                                                                               (7.23)

где постоянная времени -цепи   .

При условии локализации ионизационного эффекта при регистрации -частицы и пренебрежимо малом времени собирания носителей зарядов импульс тока можно представить в виде . Значение константы  можно определить,  исходя из условия: .  Следовательно, .

Так как  ,   уравнение (7.23)  запишется в виде:

.                                                                                               (7.24)

С учетом выражений (7.17) и (7.18) имеем:

                 (7.25)

Полученное соотношение (7.25) удовлетворительно описывает форму сигналов на выходе полупроводниковых детекторов ионизирующих излучений.

5


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

10914. Промислова графіка. Умовні знаки, упаковка, реклама їх призначення види застосування 30 KB
  Тема 11: Промислова графіка. Умовні знаки упаковка реклама їх призначення види застосування. Мета: Навчальна: сформувати знання вміння та навички пов’язані з даними поняттями. Виховна: виховувати в учнів культуру праці та бережливе ставлення до чужої праці. Естет
10915. Технологія свердлильних робіт. Свердла, кути заточування свердел 23.5 KB
  Тема 12: Технологія свердлильних робіт. Свердла кути заточування свердел. Мета: Навчальна: сформувати знання навички та вміння свердління виробів з тонколистового металу. Виховна: виховувати в учнів бережливе ставлення до інструментів та культуру праці. ...
10916. Совершенствование организации профессиональной подготовки и повышения квалификации государственных служащих (на примере УФНС России по Пермскому краю) 105.17 KB
  Выявить отличительные особенности профессиональной подготовки, повышения квалификации как вида дополнительного профессионального образования. Определить проблемы, возникающие в ходе реализации профессиональной подготовки и повышения квалификации. Выяснить какие методы совершенствования дополнительного профессионального образования существуют на данный момент. Определить какие методики по совершенствованию профессиональной подготовки существуют на данный момент.
10917. Дріт як конструкційний матеріал. Інструменти і пристосування для роботи з дротом 45.5 KB
  Тема уроку: Дріт як конструкційний матеріал. Інструменти і пристосування для роботи з дротом. Мета уроку: Засвоєння знань про технологічний процес виготовлення дроту його види властивості та галузі його застосування; формування практичних вмінь визначати твердість...
10918. Економічна та екологічна оцінка виробу 71 KB
  Тема уроку: Мета уроку: Засвоєння знань про оцінку виробу його відповідність технічному малюнку. Формування вмінь користуватися вимірювальними пристроями. Розвивати увагу уяву світогляд. Виховувати акуратність допитливість точність. Об'єкт навчальної діяльност...
10919. Припуски на обробку та економне використання тонколистового металу та дроту 64.5 KB
  Тема уроку: Припуски на обробку та економне використання тонколистового металу та дроту Мета уроку: Засвоєння знань про прийоми розмічання. Формування знань про прийоми розмічання заготовки виробу на листовому металі та підготовчі роботи до розмічання та вмінь коре
10920. Процес різання тонколистового металу. Технологія різання листового металу ручними і важільними ножицями 53.5 KB
  Тема. Процес різання тонколистового металу. Технологія різання листового металу ручними і важільними ножицями. Мета: ознайомити учнів з видами слюсарних ножиць навчити різати слюсарними ножицями листовий метал ознайомити учнів з правилами безпечної роботи при різан...
10921. Організація робочого місця в слюсарній майстерні. Прийоми розмічання заготовок на листовому металі 41.5 KB
  Тема. Організація робочого місця в слюсарній майстерні. Прийоми розмічання заготовок на листовому металі. Мета: ознайомити учнів з основними моментами організації робочого місця в слюсарній майстерні навчити користуватися штангенциркулем для розмічання та контролю...
10922. Опорядження виробів. Призначення та способи опорядження виробів з тонколистового металу 35 KB
  Тема уроку: Опорядження виробів. Призначення та способи опорядження виробів з тонколистового металу. Практична робота: виготовлення проектної роботи. Мета уроку: Засвоєння знань учнями про види оздоблення виробів з тонколистового металу та дроту. Формування вмін