CC BY
18
Использование виртуальных приборов в учебном процессе и
проектировании
Иванов С.Ю., Конопатченков А. (МГИЭМ)
Изучение физических, производственных и других процессов требует наглядности и возможности манипулирования параметрами для их понимания. Для учебного процесса и научной работы необходимы лабораторные установки, материалы, демонстрационные стенды, контрольно-измерительные приборы. Будучи товарами высокотехнологичными, стоят все эти устройства дорого. Многие технические ВУЗы не могут себе позволить обновление лабораторного инструментария, лишь изредка приобретая жизненно необходимое и ремонтируя своими силами имеющееся в наличии.
С другой стороны, развитие современных вычислительных средств, привело к повсеместному использованию компьютеров практически во всех сферах человеческой деятельности. Моральное старение компонент вычислительных систем позволяет приобретать компьютеры по сравнительно недорогим ценам.
Руководствуясь этими двумя посылками, закономерно возникает идея о замене с помощью компьютера части дорогостоящего оборудования. Для этого нам нужно решить задачу представления информационных потоков аналоговых сигналов в цифровом виде. Компьютер не может измерить и обработать аналоговый сигнал без аналого-цифрового преобразователя (АЦП). Одной из самых удачных реализаций АЦП является плата сбора данных (ПСД), реализованная для архитектуры IBM PC. У ПСД имеются в наличии входы, соединяя которые с датчиками можно ввести аналоговый сигнал и преобразовать его в понятный компьютеру цифровой сигнал. Программное обеспечение, используемое для работы с ПСД, позволяет многократно упростить процедуру взаимодействия прибора и пользователя вследствие ряда преимуществ:
— настраиваемый пользовательский интерфейс, удобный оператору;
— богатейшие возможности по представлению информации;
— возможность адаптации к условиям измерения;
— учет статистики предыдущих измерений;
117
— работу в реальном времени для быстропротекающих процессов;
— размеры записи сигнала в реальном времени практически не ограничены;
— расширяемый специализированный анализ;
— язык интерфейса можно быстро изменить на нужный;
— быстрый отклик на изменения условий в процессе управления или измерения.
Программная часть виртуального прибора может эмулировать переднюю управляющую панель стационарного измерительного устройства. Сама панель , сформированная на экране дисплея, становится панелью управления виртуального прибора . В отличие от реальной панели управления стационарного прибора такая виртуальная панель может быть многократно реконфигурирована в процессе работы. Пользователь виртуального прибора активизирует объект графической панели с помощью мыши, клавиатуры или прикладной программы.
Несмотря на то, что стационарные приборы старались оснастить дисководами, улучшенными дисплеями и т.д., получить на них те же результат, что и с использованием ПК, оказалось невозможным. Кроме того, появление нового стандарта сменных НГМД на 100 Мбайт и 1 Гбайт (применим и на портативных компьютерах) позволяет говорить о виртуальном эксперименте, для проведения которого необходимо только наличие компьютера, а все остальные программно-аппаратные средства подбираются, исходя из технических требований проводимого эксперимента.
Оснастив свой компьютер ПСД, получаем и осциллограф, и спектроанализатор, и вольтметр, и генераторы самых разных применений. Характеристики этих виртуальных приборов определяются только техническими параметрами выбранной ПСД.
Рассмотрим более подробно виртуальные приборы, реализованные на ПСД с АЦП: осциллограф, спектроанализатор и вольтметр.
Виртуальный осциллограф предназначен для электро- и радиоизмерений в различных областях науки и техники при проведении исследовательских
испытательных работ в лабораторных и производственных условиях. Лицевая панель осциллографа показана на рисунке
Лицевая панель осциллографа
Сочетание виртуального осциллографа и персонального компьютера открывает новые возможности, недостижимые для стационарных аналогов. Работа с файлами позволяет документировать измеряемые процессы, сравнивать сигналы с образцовыми и отображать сигналы, созданные самим пользователем в его программах (чтение из файла), производить статистическую обработку сохраненных в файл экспериментальных данных.
При работе с виртуальным осциллографом по сравнению с обычным электронно-лучевым осциллографом есть существенные преимущества:
• Высокая точность измерения временных и амплитудных интервалов;
• Широкая полоса пропускания за счет возможности работы виртуального осциллографа в режиме стробоскопа (в режиме стробоскопа достигается эквивалентная частота дискретизации свыше 1ГГц);
• Яркое, хорошо сфокусированное изображение на экране на любом времени развертки;
• Возможность отображения сигнала до момента запуска (предыстория -отрицательное время);
• Возможность запоминания данных на экране в течение произвольного времени;
• Возможность детектирования импульсных помех;
• Возможность работы в составе автоматизированных измерительных систем;
• Возможность статистической обработки сигнала;
• Возможность исследования переходных процессов;
• Считывание предварительно записанных данных;
• Возможность сравнения предварительно записанных данных с текущими.
Спектроанализатор представляет собой измерительную систему, которая
без широкополосного приемника дает возможность получить автоспектры и частотные характеристики исследуемых сигналов в полосе частот до 25 МГц, синхронно по двум каналам, и автоспектр до 50 МГц по одному каналу при частотном разрешении 400 Гц и 800 Гц, соответственно. Время обзора полосы пропускания системы 12 мс.
На рисунке изображена лицевая панель анализатора, где расположены управляющие элементы обеспечивающие задание режима измерения и визуализации результатов.
Анализатор спектра
Данная измерительная система может быть полезна для мониторинга каналов радиосвязи систем безопасности, телефонных систем сотовой связи, наличия электромагнитных излучений в системах экологического контроля.
Виртуальный вольтметр предназначен для измерений в различных областях науки и техники при проведении исследовательских испытательных работ в лабораторных и производственных условиях. Лицевая панель универсального вольтметра показаны на рисунке.
Внешний вид универсального вольтметра
Сочетание виртуального вольтметра и персонального компьютера открывает новые возможности, недостижимые для аналогового прибора. Запись в файл позволяет документировать измеряемые процессы, производить статистическую обработку сохраненных в файл экспериментальных данных.
При работе с виртуальным вольтметром по сравнению с обычным аналоговым прибором есть существенные преимущества:
• Высокая точность измерения;
• Широкая полоса пропускания;
• Визуализация измеряемого напряжения (истории измерения) на экране для каждого канала;
• Возможность запоминания данных в файле;
• Возможность работы в составе автоматизированных измерительных систем.
Для удобства работы пользователя измеряется одновременно целая группа параметров сигнала:
о Мгновенное значение измеряемого напряжения.
о Среднеквадратическое значение измеряемого напряжения.
121
о Среднеарифметическое значение измеряемого напряжения. о Эффективное значение измеряемого напряжения. о Амплитудное значение измеряемого напряжения. о Максимальное значение измеряемого напряжения. о Минимальное значение измеряемого напряжения.
Из дополнительных возможностей этого прибора хочется отметить.
• Индикацию превышения допустимого входного напряжения (±10В).
• Гальваническая развязка между измеряемым устройством и компьютером 400В.
• Возможность одновременно использовать до 8 каналов.
• Переключаемый коэффициент усиления.
• Возможность измерения периодического сигнала частотой до 99кГц.
Кроме существующего ПО у пользователя есть возможность с помощью
современных средств программирования создавать виртуальные приборы с необходимыми специфическими функциями. Эта возможность намного расширяет спектр применения ПСД. Таким образом, используя только одну ПСД и соответствующее ПО можно получить несколько приборов на одном компьютере, что бесспорно выгодно экономически.
Важной особенностью использования виртуальных приборов является сохранение полученных данных в виде наборов и размещение их в специализированной базе данных. Это позволяет использовать виртуальные приборы при разработке программно-аппаратных измерительных комплексов на ранних стадиях проектирования и производить предварительные оценки характеристик проекта, а так же вести разработку без наличия дорогостоящего оборудования. Интересным является соединение моделей комплексов с виртуальными приборами в качестве нагрузки или источника данных.
