Проектирование студенческого измерительного комплекса на базе ПК

В данной статье рассмотрена возможность разработки измерительного прибора на базе персонального компьютера для применения его в учебном процессе, что позволит  использовать современные методы исследования и сочетать теоретическое изучение явлений с вычислительным экспериментом.

Современные технологии производства предполагают использование всевозможного электронного оборудования, что обуславливает наличие различных контрольно-измерительных приборов. Роль измерительных приборов в технологической цепочке любого производства трудно переоценить, одной из основных функций которых является подача сигнала о параметрах происходящих технологических процессов.

Современный этап развития измерительных приборов характеризуется унификацией любых видов измерений. Изготовители датчиков конструируют их таким образом, чтобы любая измеряемая величина, например температура или давление, на его выходе преобразовывалось в электрический сигнал. В итоге любое измерение может сводиться к измерению параметров этого сигнала, преобразованию его в цифровой вид, который можно хранить бесконечно долго, накапливать его, производить над ним цифровую обработку, анализировать, производить косвенные измерения и визуализировать.

Намечается тенденция создания комплексных измерительных приборов. Располагаясь на одном печатном плато, такие приборы могут выполнять различные функции: от измерения до генерации тестового сигнала. Наиболее распространенным измерительным прибором такого типа является осциллограф. Такой осциллограф не только отображает исследуемый сигнал, но и способен производить его анализ, рассчитывать спектр, сохранять результат измерения в удобной для дальнейшей обработки форме [1].

При комплектации лабораторий по электротехническим дисциплинам необходимо приобретение измерительного оборудования. Выпускаемые промышленностью приборы, как правило, обладают избыточной функциональностью, что неизбежно влияет на их стоимость. Поэтому широкое распространение получают такие приборы, как цифровые вольтметры и осциллографы, построенные на базе персонального компьютера.

Применение информационных технологий на занятиях существенно расширяет возможности преподавателя, позволяя ему использовать современные методы исследования и сочетать теоретическое изучение явлений с натурным и вычислительным экспериментом.

Использование персонального компьютера в учебном процессе в качестве осциллографа имеет ряд преимуществ:

  • ПК многофункциональны, распространены и доступны, в то время как современный средний осциллограф имеет высокую стоимость и решает сравнительно узкий класс задач;
  • ПК имеет большой экран, что позволяет демонстрировать осциллограммы аудитории;
  • оцифрованный сигнал можно записать в графический файл и затем его обработать;
  • учащиеся учатся программировать, понимают сущность оцифровки аналогового сигнала.

Любой IBM-совместимый персональный компьютер (ПК), даже несколько лет провалявшийся в глубине шкафа за ненадобностью, может превратиться в измерительный комплекс, если его снабдить одним или несколькими аналоговыми входами. Его клавиатура и экран предоставляют существенно большие возможности, по сравнению с теми, которые могут дать мультиметр или  осциллограф, а дисковод и принтер прекрасно подходят для регистрации любых длительных процессов. Кроме того, вычислительная мощность ПК позволяет подвергать собранные с его помощью информационные данные любой сложной обработке.

Предлагаемые промышленностью специализированные платы расширения к персональным компьютерам, позволяющие преобразовать его в измерительный электронный прибор и производить спектральный анализ, к сожалению, имеют высокую стоимость. Поэтому актуальным является разработка цифрового осциллографа-приставки, способного взаимодействовать с персональным компьютером (ПК). Разрабатываемый осциллограф-приставка будет представлять собой законченный измерительный программно-аппаратный комплекс, предназначенный для измерения и визуализации электрического сигнала, а также расчета и отображения спектра измеряемого сигнала [2].

Примерная структурная схема измерительного устройства на основе микроконтроллера и ЭВМ показана на рисунке 1.

Структурная схема измерительного устройства   

Рисунок 1 – Структурная схема измерительного устройства 

Основным элементом, определяющим прецизионность всего измерительного устройства, является аналогово-цифровой преобразователь (АЦП). Но если входная цепь (ВЦ) и фильтр низких частот (ФНЧ) не будут ослаблять шумы вне полосы пропускания сигнала, то эффекта от высокой точности АЦП не будет.

Входная цепь является развязывающим устройством источника сигнала и АЦП. Она должна иметь большое входное сопротивление, обеспечивать подавление синфазного сигнала шума (сигнала общей помехи).

ФНЧ устраняет эффект наложения спектров и нежелательные сигналы вне полосы пропускания фильтра. Этот фильтр работает еще с аналоговым сигналом, сам фильтр будет является аналоговым.

АЦП в этой системе будет входить в состав микроконтроллера, частота дискретизации и режим работы будут устанавливаться программой, загруженной в микроконтроллер. Программное обеспечение микропроцессора обеспечивает работу протокола обмена данными с ЭВМ, протокол отвечает за отправку полученных отсчетов в ЭВМ и получение команд от пользовательской программы, установленной на компьютер. ЭВМ может быть как персональным компьютером (ПК), так и портативным компьютером ноутбуком. На ЭВМ будет установлена программа, которая будет работать с полученными отсчетами от АЦП, обрабатывать их и представлять пользователя в удобном для восприятия виде. Таким образом, ЭВМ также играет роль визуального индикатора.

Говоря о дискретизации низкочастотного сигнала, подразумевают, что подлежащий дискретизации сигнал лежит в первой зоне Найквиста (см. рисунок 2). Важно обратить внимание на то, что без фильтрации на входе идеального дискретизатора любой частотный компонент (сигнал или шум), который находится за пределами «полосы Найквиста», в любой зоне Найквиста будет создавать НЧ-составляющую в первой зоне Найквиста. По этой причине ФНЧ используется почти со всеми АЦП для подавления нежелательных сигналов.

По теореме Котельникова, частота дискретизации (fД) сигнала должна быть равна или быть больше частоты в 2 раза большей верхней частоты сигнала (fВ). Любой сигнал имеет бесконечный спектр. Поэтому фильтрация сигнала необходима.

Очень важно правильно предъявлять требования к характеристикам аналогового фильтра, ограничивающего спектр сигнала на входе АЦП. У фильтра есть полоса пропускания и непропускания. Реализовать фильтр следует таким образом, чтобы амплитудные и фазовые искажения в полосе пропускания были минимальны, и на частоте (fД - fВ ) обеспечивалось ослабление таким образом, чтобы сигнал помех имел значение менее шума квантования АЦП.

При разработке ФНЧ отталкиваются от того, какое ослабление требуется на частоте fД - fВ и какие параметры фазового и амплитудного искажения будут допустимыми. Спектр дискретизированного сигнала без ФНЧ представлен на рисунке 2.

Спектр дискретизированного сигнала без ФНЧ

Рисунок 2 – Спектр дискретизированного сигнала без ФНЧ 

Требуемое затухание аналогового фильтра в полосе задерживания определяется динамическим диапазоном полезного сигнала ДД. Динамический диапазон цифрового устройства выбирается исходя из заданной точности представления сигнала. При этом нижняя граница динамического диапазона ДД будет определяться уровнем всех помех, попадающих в полосу частот полезного сигнала.

Разные типы фильтров дают разную крутизну спада и частотные характеристики. Например, фильтр Баттерворта дает ослабление 6 дБ на октаву для каждого порядка. Для достижения ослабления 60 дБ в диапазоне от 1 МГц до 2 МГц (1 октава) требуется как минимум фильтр 10-го порядка – это нетривиальный фильтр, весьма трудный в разработке. Поэтому для высокоскоростных приложений, требующих более высокой крутизны спада и меньшей неравномерности в рабочей полосе при линейной фазовой характеристике, больше подходят фильтры других типов.

Шум квантования SNR (в дБ) в N-разрядном АЦП находится по следующей формуле:

Еще одно важное требование к ФНЧ – линейность фазочастотной характеристики (ФЧХ) в полосе пропускания или постоянное время групповой задержки сигнала. Неравномерность амплитудной характеристики может быть в дальнейшем скомпенсирована цифровой фильтрацией.

Таким образом, проанализирована возможность создания измерительного прибора на базе персонального компьютера.

 

Литература

  1. Бударин А. Концепция построения виртуальной измерительной лаборатории // Мир компьютерной автоматизации, 2000. - №
  2. Гѐлль П. Как превратить персональный компьютер в измерительный комплекс / Пер. с фр. - М.: ДМК Пресс, 2005. - 144 с.
  3. Самохин С. Компьютер превращается… в осциллограф // КомпьютерПресс, 2002. - №
  4. http://www.iabfor.ru
Фамилия автора: Л.В. Евдокимова 
Год: 2011
Город: Павлодар
Яндекс.Метрика