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

10 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

74242. ОСНОВЫ АЛГОРИТМИЗАЦИИ 592.5 KB
  В основе любой программы лежит алгоритм. Таблица Изображение блоков в схемах алгоритмов Наименование символа Обозначениеи размеры Функция Процессвычислительный блок Выполнение операции или группы операций в результате которых изменяются значение форма представления или расположение данных Решение логический блок Выбор направления выполнения алгоритма в зависимости от некоторых условий Модификация заголовок цикла Выполнение операций по управлению циклом повторением команды или группы команд алгоритма Пускостанов началоконец...
74243. Алгоритмы вычисления определенных интегралов 1.27 MB
  Основу численных методов вычисления определенных интегралов составляет их геометрический смысл. В этом случае подынтегральную функцию кривую заменяют прямой а формула для вычисления площади прямоугольника известна. приведена схема алгоритма реализующего вычисления по формуле прямоугольников слева.
74244. Базы данных и их классификация 158 KB
  База данных это совокупность связанных данных организованных по определенным правилам предусматривающим общие принципы описания хранения и манипулирования независимая от прикладных программ.
74245. ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ СЕТИ 280 KB
  Структура вычислительной сети Узел это любое устройство непосредственно подключенное к передающей среде сети. Каждый узел в сети имеет минимум два адреса: физический используемый оборудованием и логический используемый пользователями и приложениями. Здесь сообщение это целостная последовательность данных передаваемых по сети.
74246. Объектно-ориентированное программирование. Теоретические основы ООП 372.5 KB
  В основе любого языка лежит некоторая идея, оказывающая существенное влияние на стиль программ. Исторически первой была идея процедурного программирования.
74247. Технические средства ЭВМ 138.49 KB
  В основе функционирования любой ЭВМ лежит архитектура. В современных ЭВМ АЛУ и УУ объединены в общее устройство называемое центральным процессором. Схема архитектуры ЭВМ базирующаяся на принципах фон Неймана.
74248. Программное обеспечение ЭВМ и информационные технологии 199.8 KB
  Сообщение это форма представления информации для ее последующей передачи в одном из следующих видов: числовая форма представленная цифрами; текстовая форма представленная текстами составленными из символов того или иного языка; кодовая форма представленная кодами; например кодами в двоичной системе счисления кодами для сжатия или шифрования кодами азбуки Морзе или азбуки для глухонемых и т. Системы счисления Система счисления это соглашение о представлении чисел посредством конечной совокупности символов цифр...
74249. Программное обеспечение ЭВМ. Классификация программного обеспечения 382 KB
  Совокупность программ, процедур и правил, а также документации, связанных с функционированием системы обработки данных, составляют программное обеспечение (ПО; software). Программное и аппаратное обеспечение в ЭВМ работают в неразрывной связи и взаимодействии.
74250. ПРЕДСТЕРИЛИЗАЦИОННАЯ ОБРАБОТКА 258.5 KB
  Самостоятельная работа лабораторного занятия предусматривает знакомство студентов с инструкциями (методическими рекомендациями) по применению моюще-дезинфицирующих средств, нормативными документами, а также отработку техники манипуляций и решение ситуационных задач.