Виды измерительных сигналов.

Сигналом называется материальный носитель информации, представляющий собой некоторый физический процесс, один из параметров которого функционально связан с измеряемой физической величиной. Такой параметр называют информативным.

В качестве физических носителей сигналов используют импульсы механической, тепловой, электрической, магнитной, акустической и световой энергии и энергии ионизирующих излучений. Физические величины как носители сигналов в зависимости от числа принимаемых размеров подразделяются на непрерывные, имеющие бесконечно большое число размеров (рис. 2, а), и квантованные по уровню, содержащие конечное число размеров (рис. 2, б).

Рис. 2. Виды сигналов.

Измерительный сигнал – сигнал, содержащий количественную информацию об измеряемой физической величине.

Измерительные сигналы чрезвычайно разнообразны. Их классификация по различным признакам приведена на рис. 3.

Рис. 3. Классификация измерительных сигналов.

По характеру измерения информативного и временного параметров измерительные сигналы делятся на аналоговые, дискретные и цифровые.

    Аналоговый сигнал –это сигнал, описываемый непрерывной или кусочно-непрерывной функцией Y_a ( t), причем как сама эта функция, так и ее аргумент t могут принимать любые значения на заданных интервалах Y Î(Ymin ; Ymax ) и t Î(tmin ; tmax ) (рис. 4, а).

Дискретный сигнал –это сигнал, изменяющийся дискретно во времени или по уровню. В первом случае он может принимать в дискретные моменты времени nT, где T = const – интервал (период) дискретизации, n = 0; 1;  2;... – целое, любые значения YД (nT ) Î(Ymin ; Ymax ), называемые выборками или отсчетами. Такие сигналы (рис. 4, б) описываются решетчатыми функциями. Во втором случае значения сигнала YД (t ) существуют в любой момент времени t Î(tmin ; tmax ), однако они могут принимать ограниченный ряд значений hi = nq, кратных кванту q.

Цифровые сигналы –квантованные по уровню и дискретные по времени сигналы YЦ (nT ), которые описываются квантованными решетчатыми функциями (квантованными последовательностями), принимающими в дискретные моменты времени nT лишь конечный ряд дискретных значений – уровней квантования h₁, h₂,…, h_n (рис. 4, в).

Рис. 4. Измерительные сигналы: а – аналоговый; б – дискретный;          в – цифровой.

По характеру изменения во времени сигналы делятся на постоянные, значения которых с течением времени не изменяются, и переменные, значения которых меняются во времени. Постоянные сигналы являются наиболее простым видом измерительных сигналов.

Переменные сигналы могут быть непрерывными во времени и импульсными. Непрерывным называется сигнал, параметры которого изменяются непрерывно. Импульсный сигнал – это сигнал конечной энергии, существенно отличный от нуля в течение ограниченного интервала времени, соизмеримого с временем завершения переходного процесса в системе, для воздействия на которую этот сигнал предназначен.

По степени наличия априорной информации переменные из- мерительные сигналы делятся на детерминированные, квазидетерминированные и случайные.

Детерминированный сигнал – это сигнал, закон изменения которого известен, а модель не содержит неизвестных параметров. Мгновенные значения детерминированного сигнала известны в любой момент времени. Детерминированными (с известной степенью точности) являются сигналы на выходе мер. Например, выходной сигнал генератора низкочастотного синусоидального сигнала характеризуется значениями амплитуды и частоты, которые установлены на его органах управления. Погрешности установки этих параметров определяются метрологическими характеристиками генератора.

Квазидетерминированные сигналы – это сигналы с частично известным характером изменения во времени, т.е. с одним или несколькими неизвестными параметрами. Они наиболее интересны с точки зрения метрологии. Подавляющее большинство измерительных сигналов являются квазидетерминированными.

Детерминированные и квазидетерминированные сигналы делятся на элементарные, описываемые простейшими математическими формулами, и сложные. К элементарным относятся постоянный и гармонический сигналы, а также сигналы, описываемые единичной и дельта-функцией.

К сложным сигналам относятся импульсные и модулированные сигналы.

Сигналы могут быть периодическими и непериодическими. Непериодические сигналы делятся на почти периодические и переходные. Почти периодическим называется сигнал, значения которого приближенно повторяются при добавлении к временному аргументу надлежащим образом выбранного числа – почти периода. Периодический сигнал является частным случаем таких сигналов. Почти периодические функции получаются в результате сложения периодических функций с несоизмеримыми периодами. Переходные сигналы описывают переходные процессы в физических системах.

Периодическим называется сигнал, мгновенные значения которого повторяются через постоянный интервал времени.  Период Т сигнала – параметр, равный наименьшему такому интервалу времени. Частота f периодического сигнала – величина, обратная периоду. Периодический сигнал характеризуется спектром. Различают три вида спектра:

- комплексный – комплексная функция дискретного аргумента, кратного целому числу значений частоты периодического сигнала Y (t ), представляющая собой значения коэффициентов комплексного ряда Фурье:

                                    ,                              (8)

где k – любое целое число;

амплитудный – функция дискретного аргумента, представляющая собой модуль комплексного спектра периодического сигнала:

                  ,                (9)

где Re(z), Im(z) – действительная и мнимая части комплексного числа z;

фазовый – функция дискретного аргумента, представляющая собой аргумент комплексного спектра периодического сигнала:

                    j(kw) = arg[ A(kw)] = arg tg Im[ A(kw)].                 (10)

                        Re[ A(kw)]

Периодический сигнал содержит ряд гармоник.

Гармоника – гармонический сигнал с амплитудой и начальной фазой, равными соответствующим значениям амплитудного и фазового спектра периодического сигнала при некотором значении аргумента. Наличие высших гармоник в спектре периодического сигнала количественно описывается коэффициентом гармоник, характеризующим отличие формы данного периодического сигнала от гармонической (синусоидальной). Он равен отношению среднеквадратического значения сигнала суммы всех его гармоник, кроме первой, к среднеквадратическому значению первой гармоники:

,                                    (11)

где Yi , Y1 – i-я и первая гармоники сигнала Y(t).

Периодические сигналы бывают гармоническими, т.е. содержащими только одну гармонику, и полигармоническими, спектр которых состоит из множества гармонических составляющих. К гармоническим сигналам относятся сигналы, описываемые функцией синуса или косинуса. Все остальные сигналы являются полигармоническими.

Случайный сигнал – это изменяющаяся во времени физическая величина, мгновенное значение которой является случайной величиной.