CC BY
89
УДК 004.94
А.В. Рязанов
канд. техн. наук, доцент, кафедра конструирования
и технологии РЭС, Арзамасский политехнический институт (филиал) ФГБОУ ВПО «Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева»
А.С. Сахаров аспирант, кафедра конструирования и технологии РЭС, Арзамасский политехнический институт (филиал) ФГБОУ ВПО «Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева»
УНИВЕРСАЛЬНЫЙ ВИРТУАЛЬНЫЙ ПРИБОР ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ЧАСТОТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ЭЛЕКТРОННЫХ УЗЛОВ НА ОСНОВЕ ПРОГРАММНОЙ СРЕДЫ LabVIEW
Аннотация. В данной работе рассмотрены вопросы разработки в среде LabVIEW универсального виртуального прибора, используемого при исследовании частотных характеристик электронных узлов.
Ключевые слова: виртуальный прибор, частотная характеристика.
A.V. Ryazanov, Nizhni Novgorod State Technical University (Arzamas Branch)
A.S. Sakharov, Nizhni Novgorod State Technical University (Arzamas Branch)
THE UNIVERSAL VIRTUAL DEVICE FOR RESEARCH OF FREQUENCY CHARACTERISTICS OF ELECTRONIC
KNOTS ON THE BASIS OF THE LABVIEW PROGRAM ENVIRONMENT
Abstract. In this work questions of development in the environment of LabVIEW of the universal virtual device used at research of frequency characteristics of electronic knots are considered.
Keywords: virtual device, frequency characteristic.
В предыдущей работе была обоснована актуальность разработки виртуального прибора для измерения частотных характеристик электронных узлов с возможностью выбора между ручным и автоматическим режимами измерений [1, 2]. Кроме того, был разработан виртуальный прибор для реализации ручного режима, в котором построение частотной характеристики проводится пользователем. Для реализации возможности автоматизированного построения частотной характеристики необходимо дополнить ранее разработанную систему виртуальных приборов модулем автоматизированного измерения, разработать виртуальный прибор верхнего уровня, основной функциональностью которого будет обеспечение выбора режима измерения: ручного или автоматизированного. Устройства, реализующие эти режимы, должны находиться на более низкой ступени иерархии.
Для автоматизации процесса измерения амплитудно-частотной характеристики был разработан отдельный виртуальный прибор, в основу которого положен функционал виртуального прибора для ручного измерения характеристики электронного узла. Модифицированный виртуальный подприбор (ВПП) basis.vi реализует более низкий уровень иерархии разрабатываемого устройства. Модификация выполнена посредствам следующих операций:
- модуль настройки параметров генерации и считывания сигнала вынесен в основной виртуальный прибор, а на base.vi подаются уже установленные значения;
- в модуле генератора убрано преобразование частоты, так как она вводится в явном виде;
- установлено ограниченное число волн генерируемого сигнала.
Блок-диаграмма виртуального подприбора basis.vi представлена на рисунке 1. Такой подприбор позволяет разово за короткое время выполнить измерение значения напряжения на выходе исследуемого электронного узла, подав на его вход сигнал нужной амплитуды и частоты.
Для облегчения работы пользователя с разрабатываемым продуктом панель виртуального прибора для автоматизированного измерения характеристики электронного узла выполнена в том же стиле, что и панель ранее разработанного устройства. Отличие состоит в том, что вывод результата осуществляется в виде графика АЧХ исследуемого прибора.
Построение АЧХ проводится следующим образом:
- задаются напряжение и начальная частота сигнала, который будет проходить через исследуемый электронный узел;
- устанавливается разница по частоте между соседними измерениями;
- определяется необходимое количество измерений;
- запоминаются значения напряжения на выходе исследуемого узла для каждой частоты, подаваемого на вход сигнала;
- строится АЧХ по полученным результатам.
Рисунок 1 - Блок-диаграмма ВПП basis.vi
Исходя из методики построения АЧХ, на панели ввода исходных данных расположены четыре числовых элемента управления, с помощью которых будут задаваться напряжение сигнала, подаваемого на вход исследуемого узла, его начальная частота, шаг по частоте и количество шагов.
Также на панели виртуального прибора располагаются индикаторы, показывающие, с какими каналами будет работать устройство. Для изменения рабочих каналов и некоторых временных параметров использовано диалоговое окно настройки, вызываемое нажатием кнопки панели «Настройка». Внешний вид панели для ввода исходных данных представлен на рисунке 2.
Рисунок 2 - Внешний вид панели ввода исходных данных
Основной задачей этого прибора является автоматический вывод АЧХ сигнала в графическом виде. Для выполнения этой задачи использован стандартный элемент Waveform Graph [1, 3], который служит для представления поданного сигнала в графической форме. Так как АЧХ характеризует зависимость выходного напряжения исследуемого узла от частоты входного сигнала, по оси абсцисс откладывается частота в герцах, а по оси ординат - выходное напряжение в вольтах.
Частота, подаваемая на вход ВПП basis.vi вычисляется по формуле [4]:
Fres = Finit + Fstep ■ i, res - результирующая частота, подаваемая на вход виртуального подприбора, Гц; Finit - начальная частота, установленная на лицевой панели, Гц; Fstep - шаг по частоте, Гц;
где
i - номер итерации.
Значения напряжения с выхода basis.vi формируют массив, который и будет исходным для построения характеристики. Для того чтобы по окончании работы цикла структуры все накопленные значения были определены в массив, используется автоматическая индексация. Если она будет отключена, то на выходе цикла с фиксированным числом итераций будет значение, полученное на последней итерации.
Для того чтобы вывести полученный результат на график Waveform Graph необходимо собрать данные в один кластер. Для этого используется стандартная функция Bundle [3, 4].
Последовательность выполнения измерения строго задана: сначала необходимо собрать все данные, после чего можно выполнять построение характеристики.
В среде LabVIEW строгая последовательность может быть задана структурой «Sequence»[3, 4]. Структура последовательности представляет собой одну или несколько поддиаграмм, которые исполняются подряд. Существуют два типа структур последовательности: структура открытой последовательности и многослойная структура. Использование структур последовательности позволяет управлять порядком выполнения программы [3].
Для разделения процессов сбора данных и построения характеристики авторами была применена структура открытой последовательности «Flat Sequence Structure» [3]. Индикация хода выполнения процесса измерения выполняется при помощи элемента Progress Bar [3]. При этом необходимо, чтобы значение индикатора увеличивалось после очередного выполненного измерения. Такой функционал реализуется по следующему алгоритму:
- задается прирост значения по формуле:
step = 100/ N,
где 100 - максимальное значение индикатора;
N - количество шагов, задаваемое на лицевой панели;
- полученный прирост умножается на номер итерации цикла «For Loop»;
- полученное значение устанавливается как значение индикатора Progress Bar.
Установка полученного значения выполняется после завершения работы виртуального подприбо-ра basis.vi. Для этого используется структура многослойной последовательности «Stacked Sequence Structure» [3].
Такая структура, по сравнению со структурой открытой последовательности, позволяет сэкономить место на блок-диаграмме, но ухудшает читабельность программного кода [3].
Возможность выбора пользователем режима измерения реализована в виртуальном приборе верхнего уровня, блок-диаграмма которого представлена на рисунке 3, а его панель - на рисунке 4.
При нажатии на кнопку панели для вызова устройства, с её терминала на структуру варианта будет передано значение True и произойдет вызов панели ВП более низкого уровня, соответствующего нажатой кнопке. Если будет нажата кнопка «ВЫХОД», то с терминала exit будет передано True на функцию Quit LabVIEW и виртуальный прибор завершит свою работу.
Рисунок 3 - Блок-диаграмма ВП верхнего уровня "УДИХЭлЗ"
Й Устройство для шпоре нт карам те рнстнкн зле и трон но га узла УДОХЭлЗ
Рисунок 4 - Панель ВП верхнего уровня УДИХЭлЗ^
Таким образом, для разработанной системы виртуальных приборов иерархия будет иметь вид, показанный на рисунке 5. Виртуальные приборы, соответствующие устройствам для ручного и автоматизированного измерения характеристики электронного узла, находятся на втором уровне иерархии. Более детально показана иерархия устройства для ручного измерения. На представленных уровнях (см. рис. 5) иерархии располагаются виртуальные подприборы, отвечающие за формирование и генерацию сигнала, за снятие сигнала с выхода исследуемого узла, за измерение параметров снятого сигнала, за обработку возникающих ошибок, за усреднение некоторых измеряемых параметров и вызов окна настройки.
Для выявления относительной погрешности, при применении физических приборов и разработанной системы виртуальных приборов, были проведены экспериментальные исследования. Суть исследований заключалась в том, что на электронный узел подавались сигналы различной амплитуды и частоты, и измерялось выходное напряжение на ее выходе. Объектом эксперимента выступили активные фильтры низкой, средней и высокой добротности.
Рисунок 5 - Иерархия разработанной системы виртуальных приборов
Относительная погрешность определялась по формуле [5]:
5 = — • 100%,
Xu
где Хи - истинное значение параметра;
Л - абсолютная погрешность, определяемая по формуле [5]:
А = x - xu,
где х - результат измерения.
Расчет относительной погрешности ö выполнялся следующим образом:
1) Вычисляется абсолютная погрешность как разница между показанием мультиметра и показанием виртуального прибора. В качестве истинного значения используется показание мультиметра;
2) Рассчитывается относительная погрешность в процентах.
В заключении необходимо отметить, что результаты проведенных экспериментов показывают приемлемый уровень относительной погрешности измерения системы виртуальных приборов по сравнению с физическими приборами, который не превышает 1,5%.
Таким образом, в процессе решения поставленных задач были получены следующие основные результаты:
• разработана система виртуальных приборов для исследования характеристик электронных узлов с возможностью выбора ручного или автоматизированного режима измерений;
• экспериментально доказано, что при сравнении результатов измерений, проводимых физическими устройствами и разработанной системой виртуальных приборов, относительная погрешность не превышает 1,5%;
Список литературы:
1. Автоматизация физических исследований и эксперимента: компьютерные измерения и виртуальные приборы на основе LabVIEW 7 / под ред. Бутырина П.А. - М.: ДМК Пресс, 2005. - 264 с.
2. Сахаров, А.С. Разработка в среде LabVlEW виртуального прибора для исследования характеристик активных фильтров / А.С. Сахаров, А.В. Рязанов // Проблемы информатики в образовании, управлении, экономике и технике: сборник статей XII Международной НТК. - Пенза: Приволж. дом знаний, 2012.
- С. 66-71.
3. Измерения в LabVIEW: руководство по применению: пер. с англ. - Новосибирск: National Instruments, 2006. - 148 с.
4. Батоврин, В.К. LabVIEW: практикум по основам измерительных технологий: учебное пособие для вузов. - М.: ДМК Пресс, 2005. - 208 с.
5. Емельянов, А.В. Расчет погрешностей электрических измерений / А.В. Емельянов, А.Н. Шилин.
- Волгоград: Изд-во ВолГТУ, 2002. - 30 с.
