CC BY
43
12. Поплавская, Т. В. Интерфереционный метод управления развитием возмущений в ударном слое на пластине [Текст]: межд. конф. / Т. В. Поплавская, С. В. Кириловский, А. А. Маслов, С. Г. Миронов, И. С. Цырюльников // Современные проблемы прикладной математики и механики: теория, эксперимент и практика, 2011. - С. 306-311.
13. Терещенко, Ю. М. Моделирование течения на пластине с турбулизатором [Текст] / Ю. М. Терещенко, И. А. Ластивка, Л. Г. Волянская, Е. В. Дорошенко // Восточно-Европейский журнал передовых технологий. - 2011. - Т. 5. № 8 (53). -С. 56-58. - Режим доступа: http://journals.uran.ua/eejet/article/view/1280/1181
14. Бородулин, В. И. Универсальный механизм порождения пристенной турбулентности и детерминированная турбулентность [Текст] / В. И. Бородулин, Ю. С. Качанов // Вестник Нижегородского ун-та им. Н. И. Лобачевского. - 2011. - № 4 (3). -С. 653-655.
15. Корнилов, В. И. Влияние вертикальных устройств разрушения вихрей на аэродинамическое сопротивление плоской пластины [Текст] / В. И. Корнилов // Теплофизика и аэромеханика. - 2010. - Т. 17, № 2. - С. 269-279.
16. Szwaba, R. Shock wave - boundary layer interaction control by air-jet streamwise vortices [Text] / R. Szwaba, P. Flaszynsli, J. Szumski, J. Telega // 8th International Symposium on Experimental and Computational Aerothermodynamics of Internal Flows Lyon, 2007.
17. Kirilovskiy, S. Study of flow control by localized volume heating in hypersonic boundary layers [Text] / S. Kirilovskiy, P. Polivanov, A. Sidorenko, A. Maslov // CEAS Space Journal. - 2014. - Vol. 6, Issue 3-4. - P. 119-132. doi: 10.1007/s12567-014-0064-y
18. Ingard, U. On the theory and design of acoustic resonators [Text] / U. Ingard // J. Acoustic Soc. Am. 1953. - V. 25 (6). - P. 1037 - 1061.
19. Tijdeman, H. On the propagation of sound waves in cylindrical tubes [Text] / H. Tijdeman // Journal of Sound and Vibration. -1974. - Vol. 39, Issue 1. - P. 1-33. doi: 10.1016/s0022-460x(75)80206-9
20. Zwikker, C. Sound Absorbing Materials [Text] / C. Zwikker, C. W. Kosten. - Amsterdam, NY, Elsevier, 1949. - Chaps 1-2.
21. Karal, F. C. The analogous acoustical impedance for discontinuities and constrictions of circular cross section [Text] / F. S. Karal // The Journal of the Acoustical Society of America. - 1953. - Vol. 25, Issue 2. - P. 327-334. doi: 10.1121/1.1907041
22. Ingard, U. Notes On Duct Attenuators (N4) [Text] / U. Ingard. - Self-published, Kittery Point, NE, 1999.
23. Paiva, R. The helmholtz resonator tree [Text] / R. Paiva, V. Valimaki // Proc. of the 15th Int. Conference on Digital Audio Effects (DAFx-12), York, UK, 2012.
-□ □-
Вроботi наведенорезультати розробки центрального модуля обробки i передачi даних про-грамно-апаратного комплексу для комп'ютери-зацп навчального експерименту. Представлено методику розрахунтв аналого-цифрового вхiд-ного тракту системи. Розроблена система може використовуватись в навчальному експе-риментi i для розширення можливостей бшьш дорогого наукового обладнання
Ключовi слова: комп'ю>теризащя, автома-тизащя, вимiрювання, аналого-цифровий пере-творювач, датчик, вддалена взаeмодiя, експе-римент
□-□
В работе приведены результаты разработки центрального модуля обработки и передачи данных программно-аппаратного комплекса для компьютеризации учебного эксперимента. Представлена методика расчетов аналого-цифрового входного тракта системы. Разработанная система может быть успешно использована как в учебном эксперименте, так и для расширения возможностей научного оборудования
Ключевые слова: компьютеризация, автоматизация, измерение, аналого-цифровой преобразователь, датчик, удаленное взаимодействие, эксперимент -□ □-
УДК 004.3
|DOI: 10.15587/1729-4061.2015.47797
РОЗРОБКА СХЕМИ ПРОГРАМНО-АПАРАТНОГО КОМПЛЕКСУ ДЛЯ КОМП'ЮТЕРИЗАЦП Ф1ЗИЧНИХ ЕКСПЕРИМЕНТ1В
Р. Ю. Лопатк н
Кандидат физико-математичних наук, доцент, завщуючий* E-mail: lopatkin@iap.sumy.org С. М. 1гнатенко
Науковт ствроб^ник E-mail: mynameissergey@gmail.com *Науково-дослщний центр навчально-наукових приладiв 1нститут прикладноТ фiзики НАН УкраТни вул. Петропавлiвска, 58, м. Суми, УкраТна, 40000
1. Вступ ризащя експерименту розширюе o6i3HaHicTb учшв з
дослщжуваним фiзичним явищем, формуе навички i Навчальний експеримент в навчальному процес надае im впевненост тд час використання сучасних е основою вивчення природничих наук. Комп'юте- експериментальних методiв, ознайомлюе з передови-
ми засобами тзнання, видами контролю за техноло-пчними процесами на виробництв^ дае змогу по-новому розглядати методику постановки навчального експерименту.
Ринок засобiв комп'ютеризацп i автоматиза-цп експериментальних установок для навчальних i дослiдних лабораторiй постiйно вимагае нових на-уково-технiчних рiшень, якi побудоваш на сучаснiй технологiчнiй базi i вiдповiдають рiвню розвитку су-стльства. Подiбнi системи складаються з аналогових сенсорiв, аналого-цифрового перетворювача сигналу, засобiв комутацii з комп'ютером користувача i безпо-середньо програмного забезпечення, яке вщображае в встановленому форматi отримаш експерименталь-нi даннi. Часто функцп аналого-цифрового перетво-рювача виконуе центральний модуль системи, який виконуе комутацiю, попередш розрахунки, керуван-ня модулями виконання якщо передбачено зворотнiй зв'язок, вiзуалiзацiю т. i. Тому розробка центрального модуля зазвичай починаеться з розрахунку вхвдного аналогово-цифрового тракту, що дозволяе заздалегвдь забезпечити задекларованi в техшчному завданнi па-раметри.
2. Аналiз останшх дослiджень публiкацiй
За останш роки цифровi лабораторii в школах стали звичними i необхвдними, а також могуттм шстру-мент для проведення демонстрацшних дослiдiв, що дозволяе кожному, хто вчиться, стати ствучасником демонстрацп вчителя [1, 2].
Спещальш системи або цифровi лабораторп, що призначеш для використання в навчальному експери-ментi, виробляються досить багатьма ввдомими шо-земними фiрмами. Серед них провщне мiсце посiдають Nova5000 (Fourier Systems Ltd., Iзраiль) [3], Xplorer GLX (PascoInc., США) [4], Cobra4 (Phywe GmbH, Hi-меччина) [5].
Вимiрювальна система Nova5000 являе собою мо-бiльний персональний комп'ютер з досить малими обчислювальними ресурсами, який неможливо мо-дернiзyвати до сучасного технолопчного рiвня. Також Nova5000 орiентована на iндивiдyальне використання. Точшсть вимiрювання напруги ±3 %.
Xplorer GLX являе собою портативний графiчний реестратор даних. Вш пiдходить для збору та аналiзy даних в режимi реального часу, навiть без комп'ютера. Включае в себе 2 датчика температури, датчик напруги, вбудований динамiк i звуковий датчик, а також дозволяе тдключити до 4 додаткових датчиюв. При необхвд-ностi його можна тдключити до комп'ютера, передати на нього ва даш i проводити аналiз за допомогою ПЗ PASCO Capstone. 1ндивщувльне використання.
Cobra4 являе собою комп'ютерний iнтерфейс. Ос-новними перевагами якого е бездротовi датчики, ме-тодичнi вказiвки до експерименив, але на англiйськiй та шмецькш мовах. В комплект входять програмне забезпечення, модyлi iнтерфейсy i датчики. Hашi ш-терфейси тематичноi спрямованост вiдкривають новi можливостi в навчанш.
Всi перелiченi цифровi лабораторii будуються за принципом сенсори-перетворювач-комп'ютер-корис-тувач i передбачають шдивщуальну роботу учня з кон-
кретною експериментальною установкою. Головними недолiкам перелiчених цифрових лабораторii е iхня варпсть (>500 $), вiдсутнiсть украiномовного штер-фейсу та методик, можливостi проведення дистанцш-ного та демонстрацiйного експерименпв.
Окрiм спецiалiзованих систем е системи для про-мисловоi автоматизацii [6-8], яю е дорогими, потребу-ють додаткового обладнання для узгодження сигналiв з датчикiв, громiздкi, потребують специфiчних знань вiд експериментатора.
Розроблена програмно-апаратна платформа [9] частково перекривае вищеописаш недолжи, такi як цiна, потреба в специфiчних знаннях, створення додаткового обладнання, але й створюе новi - безпосе-реднiй зв'язок експериментальноi установки з комп'ютером i мережею живлення, необхiднiсть розташу-вання комп'ютера якомога ближче до експерименталь-ноi установки через технiчнi вимоги на штерфейси зв'язку, неможливiсть отримання колективного доступу до експериментальноi установки без специфiчного програмного забезпечення.
Таким чином, актуальним е розробка вггчизняного сучасного програмно-апаратного комплексу (ПАК) для комп'ютеризацп навчального експерименту з мшь мальними витратами ресурав, побудованого на принцип модульностi i мережевих технолопях передачi даних.
3. Цiлi та задачi дослiдження
Метою роботи е розробка схеми та розрахунки ана-логово-цифрового вхщного тракту системи. Основни-ми критерiями при цьому мають бути: цша, надiйнiсть, доступнiсть комплектуючих, простота використання та характеристики не гiршi аналопчних систем.
Для досягнення поставленоi мети були поставленi наступнi завдання:
1. Розробка структурноi схеми аналого-цифрового вхвдного тракту.
2. Розрахунки параметрiв комплектуючих аналого-во-цифрового вхiдного тракту для досягнення наступ-них характеристик:
- юльюсть каналiв вимiрювання - 4(8);
- швидюсть обробки даних - не менше 2000 вимi-рювань за секунду;
- точшсть вимiрювання - до 1 %;
- захищенiсть вхiдного тракту при виходi вхiдного сигналу за дiапазон вимiрювання.
4. Розробка структурно! схеми та розрахунок вхщного тракту
4. 1. Розробка структурно! схеми вимiрювального комплексу
У будь-якому вимiрювальномy приладi вщбуваеть-ся обробка iнформацii, в результат якоi вхiдномy сигналу x(t) або сyкyпностi вхiдних сигналiв ставиться у вiдповiднiсть число Y - результат вимiрювань.
У цифрових вимiрювальних приладах деякi або вс операцii (виключаючи операцiю масштабування або нормування вхщного сигналу) виконуються в дискретнш формь Для цього дослщжуваш сигнали на
тому чи шшому еташ за допомогою аналого-цифрових перетворювачiв (АЦП) перетворюють в коди, як потiм пiддаються цифровш обробцi. Однак деякi операцii можуть виконуватися на аналогових елементах. Таким чином, в тракт цифрового вимiрювального приладу здшснюеться в загальному випадку аналого-цифрова обробка сигналiв.
Згiдно з визначенням по ГОСТ 16263 - 70, цифро-вi вимiрювальнi прилади (ЦВП) характеризуются двома особливостями: наявшстю аналого-цифрового перетворення сигналiв i цифрового вщображення результату вимiрювання. Техшчно зазначенi операцii реалiзуються за допомогою аналого-цифрового пере-творювача (АЦП) i блоку реeстрацii з цифровим вщ-лiковим пристроем, який служить для представлення результату вимiрювання в цифровш форм^ зручнiй для вiзуального вщлшу, а також при необхiдностi - i для реестрацii. У складi ЦВП е також вхiднi аналоговi перетворювачi - вхiднi пристроi (ВП): простi - масш-табнi (подшьники, пiдсилювачi) i складнi - функцю-нальнi (перетворювачi змiнноi напруги, потужносл в постiйну напругу, струму в напругу, неелектричних величин в електричш i т. д.). В прилади з цифровою обробкою iнформацii, як правило, входять арифметич-нi пристро' (АП) для виконання обчислювальних опе-рацiй. Роботу всiх вузлiв синхрошзуе блок керування (БК). Структурна схема ЦВП, яка е в основi вах вщо-мих аналогiв зображена на рис. 1, а, структурна схема адаптованого ЦВП - на рис. 1, б.
д ВП р АЦП Д р ВП АЦП
— —)
+СК СК
БК АП БПД
БК АП БПД
->
Рис. 1. Структурнi схеми: а —ЦВП; б — адаптованого ЦВП
Розглянемо роботу ЦВП наведеного на рис. 1, а. Датчики фiзичних величин складаються з сенсора (Д) i вхiдного перетворювача (ВП). У всiх вiдомих анало-гiв функцiю ВП виконуе операцшний або шструмен-тальний шдсилювач. Всi регулювання проводяться в самому датчику i зводяться до нормалiзацii вихiдного сигналу (СК) до певного вихщного дiапазону напруги (0..5 В у в^х вiдомих аналопв). Пiсля нормалiзацii сигнал через роз'ем (Р) надходить до АЦП, обробля-еться арифметичним перетворювачем (АП) та переда-еться на пристрш вiзуалiзацii через блок передачi да-них (БПД). В^ма процесами керуе блоком керування (БК). При данш структурi кожен датчик повинен мати вхщний перетворювач для нормалiзацii сигналу. Ко-жен датчик повинен бути налаштований за допомогою допомiжного обладнання.
Розглянемо схему адаптованого ЦВП зображену на рис. 1, б. На вщмшу вiд попередньо' схеми в складi датчику не мютиться операцiйний пiдсилювач.
Зокрема, датчик складаеться з сенсора (Д) та систем корекцп (СК) роботи iнструментального шдсилю-вача (ВП), який знаходиться в базовому блощ вимiрю-вального комплексу. Сигнали з Д i СК через роз'ем (Р)
надходять до шструментального шдсилювача (ВП) з якого до АЦП та системи обробки даних. Завдяки тому, що використовуеться високоякюний шструмен-тальний пiдсилювач, потрiбно зробити налаштування лише базового блоку ПАК.
Побудова аналогово' частини ПАК за схемою на-веденою на рис. 1, б мае сво' переваги та недолши, якi досить тяжко згрупувати за критерiями. Наприклад вiзьмемо критерiй собiвартостi для пристрою з чотир-ма аналоговими каналами та набором з 15 датчиюв. При використанш стандартного пiдходу необхщно застосувати мiнiмум по одному операцшному (шстру-ментальному) пiдсилювачi в кожному з 15-ти датчиюв замiсть чотирьох бшьш якiсних iнструментальних шд-силювачiв в кожному з каналiв вимiрювання. В кожному з датчиюв при стандартному пiдходi повиннi бути схеми фшьтрацп напруги живлення, еталонно' напруги, схеми корекцiй, яю в бiльшостi датчикiв можливо вилучити при використанш адаптованого ЦВП.
Якщо взяти за критерп точнiсть, надшшсть, якiсть, то використавши високоякiсний роз'ем в адаптовано-му ЦВП ми отримаемо кращi показники, адже деталей менша кiлькiсть i вони бшьш якiснi, надiйнi. Щодо на-дшносп, то в адаптованому ЦВП досить гарно можна реалiзувати захист вщ виходу зi строю АЦП. Також адаптований варiант ЦВП дозволяе досить легко роз-ширити функцiональнi можливосп пристрою, створю-вати новi датчики фiзичних величин.
Запропоновано [10] на основi передових техноло-гiй, перш за все, мжропроцесорних, iнтерактивних i телекомунiкацiйних, створення ПАК широкого при-значення, який може входити до складу будь-якого наукового i навчального обладнання. Основою ПАК е модульнiсть i застосування мережевих протоколiв передачi даних.
Модульний пщхщ дозволить швидко адаптувати ПАК шд iснуюче обладнання i розробити новi комп'ю-теризованi науковi i навчальнi прилади, а застосування прийнятих стандар^в передачi даних надасть змогу побудувати штерактивш прилади i установки з вiддаленим доступом до них користувачiв. Також ПАК може бути корисним для застосування бшьш дорогого наукового обладнання [11] з можливютю колективно-го використання, де отримання шформацп, а також управлшня експериментом, може бути здiйснено через 1нтернет.
Використання мережевих протоколiв для обмшу даних дозволяе гнучко будувати схеми взаемодп ко-ристувача з обладнанням. Схеми роботи користувача з комп'ютеризовано' за допомогою ПАК експеримен-тальною установкою можуть бути рiзнi i диктуються конкретними умовами.
4. 2. Розрахунок аналогового входного тракту
При побудовi вхщного тракту за схемою наведеною на рис. 1, а, сенсор (Д) можливо шдключати до входу шструментального шдсилювача напряму, а отже ш-струментальний шдсилювач повинен мати високий вхщний ошр, малу напругу змщення i високий кое-фiцiент шдсилення з можливiстю його регулювання. В якос^ iнструментального пiдсилювача вiзьмемо мь кросхему AD623B. Основними перевагами п е: низька вхiдна та вихщна напруга змiщення 25 мкВ та 200 мкВ вiдповiдно, великий вхщний ошр 2 ГОм, великий
а
коефвдент ослаблення синфазного сигналу 100 Дб, коефвдент шдсилення 1...1000 з похибкою 0.1 %, мож-ливiсть регулювання змiщення вихiдного сигналу, наявнiсть захисту входiв вiд перевищення вхiдного сигналу напругу живлення, входи та вихщ Rail to Rail, досить низька щна. Але використання ще! мшросхе-ми вимагае додаткового операцiйного шдсилювача, в якостi котрого вибрали AD712. Як видно на спрощенш схемi вхiдного тракту, наведенiй на рис. 2, пщсилювач AD712 мае коефвдент пiдсилення рiвний одиницi i слугуе для усунення впливу паразитного струму (-50 мкА) на виводi ref на вхiдний подiльник, пiдклю-чений до виводу 5.
Виводи 1...7... - це контакти на роз'емi для пщклю-чення датчика. За допомогою подачi напруги на ви-вiд 5 можемо змщувати дiапазон роботи сенсора. Наприклад АЦП вимiрюе вхiдний сигнал в межах 0.2.5 В. Потрiбно вимiрювати сигнал ампл^удою ±250 мВ, для цього встановлюемо коефiцiент пщси-лення шструментального пiдсилювача рiвним 5. На виходi амплiтуда сигналу дорiвнюватиме ±1.25 В. Для приведення Н до вхщного дiапазону АЦП достатньо подати на вивщ 5 напругу 1.25 В. Також завдяки такому пщходу можливо компенсувати напругу змщення сенсорiв.
Рис. 2. Спрощена схема вхщного тракту
Резистори R1, R2 слугують для обмеження струму через входи при перевищеш вхщного сигналу напруги живлення, розраховаш за формулою 1.
r = Vinp - Vs + 0.7 0.01A
(1)
де Vinp - напруга на виводах 1 та 4 вiдносно землi, Vs - напруга живлення шструментального шдсилювача =5 В.
Провiвши постановку значень, отримаемо захище-нiсть пiдсилювача вщ перевищення вхiдного сигналу робочий дiапазон. При R=15 кОм, максимальна напруга на входах становитиме 150 В.
Коефвдент шдсилення шструментального шдсилювача рiзний для датчиюв i встановлюеться резистором Rg шдключеним до виводiв 2, 3 вщповщно формули 2.
Rg = ^ , (2)
5 G -1
де G - коефiцiент шдсилення.
Резистор R3 слугуе лише для усунення появи напруги на вивод1 5 при вщсутност1 датчика. Ланцюг R5, С1 слугуе для усунення впливу АЦП на роботу шдсилювача. Оскшьки використовуемо один АЦП послщовного наближення з вбудованим пристроем виб1рки-збер1гання 1 перемикаемо комутатором м1ж 8-ма аналоговими каналами, то з'являеться ефект короткого замикання виходу шдсилювача. Пщклю-чення пристрою виб1рки-збер1гання з розрядженим внутр1шшм конденсатором до виходу шдсилювача напряму призводить до появи загасаючих коливань, з часом загасання до 80 мкс, що е недопустимим. Адже потр1бно зшмати данш з 8-ми канал1в з частотою не нижче 2 кГц, а це в свою чергу означае що час можливо! роботи АЦП (час вим1рювання 5 мкс) складае Т = = 1/(8*2000) = 62.5|с , отже не зможемо доче-катися встановлення сигналу на виход1 шдсилювача. Для усунення цього ефекту використовуемо ланцюг R5, С1 (т=10 мкс) номшали якого були пщ1браш експе-риментальним шляхом.
4. 3. Розрахунок цифрового входного тракту
Цифрова обробка сигнал1в неминуче призводить до виникнення методичних похибок. Щ похибки мож-на роздшити на чотири групи:
- похибка дискретизацп, що виникае в результат! дискретизацп вхщного сигналу в чась Вихщне зна-чення сигналу - це сума вщлш1в в дискретш моменти часу;
- похибка квантування, що виникае в результат замши миттевого значення вхщного сигналу його числовим кодом, який 1 призводить до похибки кван-тування;
- динам1чш похибки, що виникають 1з-за шерцш-ност вхщних ланцюпв, через змши вхщного сигналу за час перетворення;
- похибки, що вносяться перешкодами, а також ш-струментальш похибки вхщних елемент1в, що мають випадковий характер.
У загальному випадку результуюча похибка може складно залежати вщ окремих складових. Однак сто-совно до вим1рювальних прилад1в завдання спрощу-еться.
Анал1з похибки дискретизацп вхщного сигналу, проведений в [12], показав, що при правильному вибор1 розрядност1 АЦП, його режиму перетворення, а також вхщних пристрош Ц1П похибка дискретизацп буде м1зерно мала, у пор1внянш з похибкою квантування.
Похибка квантування носить випадковий характер 1 може бути вщнесена до перешкод. Однак 11 доцшьно видшити окремо з двох причин: по-перше, похибка квантування е одшею з вихщних величин для синтезу параметр1в АЦП (частоти Квант 1мпульс1в, часу перетворення 1 т. д.); по-друге, вона часто мае перева-жаючий вплив в пор1внянш з шшими складовими 1 ви-значае точшсть усього процесу перетворення 1 обробки сигналу.
Квантування чисел е нелшшно1 операшею, отже т-розрядне двшкове число А представляеться Ь-роз-рядних двшковим числом В = F(A), причому Ь < т. В результат квантування число А представляеться з помилкою
Y = B - A = F(A) - A.
(3)
Крок квантування q визначаеться вагою молодшо-го числового розряду q = 2 - b . При квантуванш вико-ристовуеться усiчення або округлення.
Як показано в [13] у вах випадках абсолютне зна-чення помилки не перевищуе кроку квантування:
max Yyc < 2 - b = q , max|YokJ < 2-b-1 = q/2 ,
(4)
(5)
де Yyc,Yokr - похибка усiчення та округлення ввдповвдно.
У завданнях цифрово! обробки сигналiв помилки квантування чисел розглядаються як стацiонарний шумоподiбний процес з рiвномiрним розподiлом ймовiрностi за дiапазоном розподiлу помилок кван-тування.
Похибка квантування для будь-якого сигналу, який мае величину декшькох LSB, може бути апрокси-мована некорельованою з сигналом пилкоподiбною формою, що мае амплггуду розмаху q, рiвну 1 LSB. Хоча цей аналiз не можна назвати точним, але вш достатнш для багатьох додаткiв. Аналiз реального спектру шумiв квантування був проаналiзований в класичнiй роботi В. Р. Беннеттом з Bell Labs 1948 рощ, а незабаром за Беннеттом тшли й iншi роботи з опису шумiв квантування.
Як показано в робот Беннетта, величина середньо-квадратично! потужностi шумiв мае вигляд:
(6)
Як було показано [14], цей шум апроксимуеться гауссовим розподшом i поширюеться майже однорщно в смузi 0 до fs/2, де fs - мтмальна частота дискрети-зацii сигналу ввдповвдно до теореми Котельникова. За певних умов, коли строби шуму i сигналу гармоншно пов'язанi, шум квантування стае корельованим, i енер-пя концентруеться на гармонiках сигналу. При цьому середньоквадратичне значення залишаеться приблиз-но рiвним q/•\/Г2.
Обчислимо стввщношення сигнал-перешкода при квантуваннi. При величин кроку квантування q i загальному чи^ ступенiв, що укладаються в межах характеристики АЦП, рiвному L = 2п, п - число двшкових розрядiв, амплiтуда гармошчного сигналу не повинна перевищувати величини Lq/2, а середня потужнiсть сигналу - величини 0.5 х (Lq/2)2 (щоб уникнути обмеження сигналу). Отже, ствввдношення сигнал - перешкода при квантуванш гармоншного сигналу Ps /Рч < 3 / 2 х L2 i пiсля тдстановки отримаемо
або в логарифмiчному виглядi D^) = 10 х lg
/ \ P
V P У
= 6.02 х n +1.76.
де К - ткфактор сигналу, тобто вщношення максимального значення до середньоквадратичного.
Як показано в [14] при гармоншному вхщному сигналi К = >/2, що призводить до формули (7); при випадковому сигналi з нормальним законом розпод^у коефвдент К може бути прийнятий 2,5-3. У цьому ви-падку Р,/Рч < (2п)2/3, а середньоквадратична напруга не повинна перевищувати им < Lхq/6.6.
Розрахуемо вольтметри з дiапазонами ±12,5 В (±2,5 В) i точнiстю вимiрювання 0,05 В (0,01В). В при-ладi виберемо джерело опорно! напруги 2,5 В. Для перетворення дiапазону вхщного сигналу в дiапазон вимiрювання напруги АЦП потрiбно перед шстру-ментальним перетворювачем (ВП) з одиничним кое-фiцiентом пiдсилення встановити д^ьник напруги на 10 (2). Вихщна напруга i точнiсть вимiрювання буде вщповщно ±1,25 В i 0,005 В. Тад число рiвнiв квантування буде дорiвнюе N = 1.25/0.005 = 250 i повний розмах напруги шумiв V = 5тВ, а середньоквадра-тичний рiвень шумiв Vrms = 5/6.6 = 0.76|В.
Як показано в [15] розрядшсть коду АЦП, вiльна вщ шумiв, визначаеться таким чином:
lg
/ \ V,
V
N0 = v p-"7 = 7.96 бiт. 0 lg(2)
Ефективна роздiльна здатшсть АЦП обчислюеться за формулою:
lg
N0 =
V Vrms J lg(2)
= 10.69 бiт.
(7)
(8)
Спiввiдношення (7) можна розглядати як окремий випадок загального вираження Ps/Pq < 3х (2n)2/K2,
Отже для вимiрювача необхiдний АЦП з розряд-нiстю 12 бiт (1 би на визначення знаку напруги). Для забезпечення точност вимiрювань слщ звернути увагу на розрахунок вхщного дiльника напруги на 10 (2). Для забезпечення точност вимiрювань необхщно пвд-брати резистори з точшстю не гiрше нiж 0,1 %. Вхiдний пiдсилювач повинен мати коефвдент посилення оди-ницю i на входi АЦП при нульовому вхщному сигналi мае бути половина опорно! напруги - 1,25 В.
5. Результати розробки схеми входного цифро-аналогового тракту
Проведено синтез та розрахунки вхщного цифро-аналогового тракту модуля прийому i передачi даних ПАК для комп'ютеризацп навчального екс-перименту. Розрахунки показують, що задля отри-мання необхщних характеристик системи необхщно застосувати АЦП з комутатором на 8 входiв, роз-ряднiстю не нижче 12 Бгт, та часом вимiрювання не бiльше 15 мкс. Кожен канал вимiрювання повинен мштити один iнструментальний пiдсилювач AD623 i один операцiйний пiдсилювач AD712. Розраховано систему захисту вiд високо! вхщно! напруги амп-лiтудою до ±150 В, а також схему усунення впливу АЦП на роботу шструментального шдсилювача. Об-рано високоякiснi компоненти для створення вхщ-
ного тракту, як дозволяють проводити шдсилення вхiдного сигналу (1...1000 pa3iB), його вимiрювання з точнiстю 1 %. Наведенi розрахунки шдтверджують-ся дослщженням реалiзованого програмно-апарат-ного комплексу.
6. Висновки
Для створення ПАК розроблено схему вхщно-го аналого-цифрового тракту центрального модуля прийому, обробки 1 передач! даних. Розраховано не-обхщш характеристики схеми та обрано ввдповвдш комплектуюч1 для отримання характеристик обробки сигналу не прших за характеристики вщомих анало-
пв, а саме точшсть вимiрювання постiйноï напруги до 1 %, кшьюсть вимiрювань на канал - 2000 за секунду. Розраховано захист вщ перевищення напруги (до 150 В) на входi дiапазону вимiрювання.
Розробленi схемнi рiшення дозволять створити достатньо надшний i дешевий ПАК, який не посту-паеться за характеристиками аналогiчним системам закордонного виробництва, мае можлившть легкого, без додаткових специфiчних компонентiв, приеднан-ня, створення нових датчиюв.
Створений ПАК був застосований для розширення можливостей б^ьш дорогого наукового обладнання [11] з можливштю колективного використання, де отримання шформацп, а також управлшня експеримен-том, може бути здшснено через 1нтернет.
Лiтература
1. Комплексное программно-аппаратное решение для общеобразовательной школы [Електронний ресурс] / Ю. В. Федорова. - Режим доступу: http://www.int-edu.ru/page.php?id=886 - 10.07.2015. - Загол. з екрану.
2. Aflalo, E. Learning Approach and Learning: Exploring a New Technological Learning System [Текст] / E. Aflalo, E. Gabay // International Journal for the Scholarship of Teaching and Learning. - 2013. - Vol. 1, Issue 7. - P. 14.
3. Fourier Systems Inc. [Electronic resource]. - Available at: http://fourier-sys.com/ - 10.07.2015. - Title from the screen.
4. PASCO: Home [Electronic resource]. - Available at: http://pasco.com/ - 10.07.2015. - Title from the screen.
5. PHYWE - Cobra4 Wireless [Electronic resource]. - Available at: https://www.phywe.de/en/12605-89 - 10.07.2015. - Title from the screen.
6. L-CARD [Electronic resource]. - Available at: http://www.lcard.ru - 15.07.2015. - Title from the screen.
7. АКОН [Electronic resource]. - Available at: http://www.akon.com.ua - 15.07.2015. - Title from the screen.
8. ХОЛИТ Дейта Системс [Електронний ресурс]. - Режим доступу: http://holit.com.ua - 15.07.2015. - Загол. з екрану.
9. Галуза, А. А. Программно-аппаратная платформа для разработки систем автоматизации лабораторного эксперимента [Текст] / А. А. Галуза, И. В. Коленов, А. И. Беляева // Восточно-Европейский журнал передовых технологий. - 2013. -Т. 5, № 9 (65). - С. 11-16. - Режим доступа: http://journals.uran.ua/eejet/article/view/18446/16193
10. Лопаткин, Р. Ю. Организация дистанционного физического эксперимента с помощью универсального программно-аппаратного комплекса [Текст] / Р. Ю. Лопаткин, В. В. Куприенко, В. А. Иващенко, С. Н. Игнатенко // Управляющие системы и машины: информационные технологии : международный научный журнал. - 2011. - № 5. - С. 73-75.
11. Внученко, А. А. Автоматизированный гониометр для исследования местоположения примесных атомов в монокристаллах методом каналирования ионов [Текст] / А. А. Внученко, А. Б. Крамченков, В. Л. Денисенко, А. Н. Бугай, С. Н. Игнатенко, Ю. А. Павленко, Р. Ю. Лопаткин, В. Е. Сторижко // ВАНТ. - 2013. - № 2 (84). - С. 152-156.
12. Горлач, А. А. Цифровая обработка сигналов в измерительной технике [Текст] / А. А. Горлач, М. Я. Минц, В. Н. Чинков. -К. : Техника, 1985. - 151 с.
13. Гольденберг, Л. М. Цифровая обработка сигналов [Текст] / Л. М. Гольденберг, Б. Д. Матюшкин, М. Н. Поляк. - М.: Радио и связь, 1990. - 256 с.
14. Гоноровский, И. С. Радиотехнические цепи и сигналы [Текст] / И. С. Гоноровский. - М.: Радио и связь, 1986. - 512 с.
15. Аналого-цифровое преобразование [Текст] / под ред. У. Кестера. - М.: Техносфера, 2007. - 1016 с.
