1. Постановка задачи

При постановке лабораторного практикума по дисциплине "Основы теории цепей" возникают определенные трудности в схемотехнической реализации необходимой номенклатуры нелинейных электрических цепей с разнообразными характеристиками. Поэтому для исследования нелинейных цепей принят путь математического моделирования их характеристик и электрического режима с помощью специального разработанного виртуального прибора.

2. Описание решения

Виртуальный прибор для исследования нелинейных резистивных цепей Pax.vi предназначен для моделирования вольт-амперных характеристик цепей, получения амплитудных и модуляционных характеристик, а также временных диаграмм и спектров выходных сигналов при действии на цепи периодических входных воздействий.

Прибор может применяться в трех основных режимах:

- получение амплитудной характеристики цепи;

- определение модуляционной характеристики;

- построение амплитудного и фазового спектров выходного сигнала при действии на входе цепи периодического сигнала.

Входной испытательный сигнал, вырабатываемый прибором, есть, в общем случае, сумма периодического сигнала и сигнала постоянного уровня (смещения). Основные типы периодического сигнала - гармонический сигнал (синусоида), прямоугольный сигнал (меандр) и пилообразный сигнал.

Вольт-амперная характеристика (ВАХ) задается и записывается формулой, с указанием принятых обозначений и значений параметров.

Метод получения амплитудной характеристики - измерение амплитуды первой гармоники сигнала на выходе резистивной цепи при достаточно медленном изменении амплитуды входного гармонического сигнала.

Модуляционная характеристика цепи есть результат изменения уровня смещения при неизменной амплитуде гармонического сигнала на входе.

Спектр выходного сигнала формируется как совокупность амплитуд или фаз гармоник при действии на цепь гармонического сигнала с неизменной амплитудой при постоянном смещении. Кроме того, определяется спектр мощности гармоник при сопротивлении нагрузки цепи, равном 1 Ом.

На лицевой панели виртуального прибора, изображенной на рис. 1-3, расположены субпанели управления прибором, формирования входных сигналов, а также индикации входного и выходного сигналов, характеристик цепи и спектра сигнала на выходе.

Рис.1

Рис.2

Рис.3

Субпанель управления прибором занимает правый верхний угол лицевой панели. На ней находятся (сверху вниз):

- элементы управления, задающие вид ВАХ цепи. Это поле строкового элемента "Формула ВАХ", а также массивы "Обозначения" и "Значения";

- элементы управления, задающие режим работы прибора. К ним относятся переключатели "Спектр-Амплитуд, хар-ка", "Модуляц-ая хар-ка" - "Другие", " "Амплитуды" - "Фазы";

- окно индикатора "Оценка результата измерений", в котором отмечается, достаточно ли принятое число выборок для обеспечения достаточно точных и устойчивых показаний прибора.

На субпанели "Входной сигнал" рамками выделены области задания формы и параметров периодического сигнала, а также уровня смещения. Переключателем "Тип сигнала" производится выбор формы периодического сигнала. Соответствующими элементами управления задаются амплитуда и циклическая частота сигнала, а также число выборок.

Элемент "Число уровней" определяет количество значений характеристики цепи, необходимых для построения её графика. Кроме того, счетчиками "Начальное смещение" и "Диапазон смещения" задают параметры сигнала постоянного уровня.

Субпанель "Временные диаграммы" содержит экран виртуального осциллоскопа, а также выделенную рамкой панель управления этим осциллоскопом. Имеется переключатель "Сигнал" с положениями "Вход" и "Выход" - для выбора сигнала, выводимого на экран.

Строковый переключатель "Экстремум" позволяет выделить на расположенных ниже индикаторах координаты очередных максимумов и минимумов значений входного или выходного сигналов. Кроме того, дополнительный индикатор "Кол-во пиков" указывает число одноименных экстремальных значений сигнала, выведенного на экран осциллоскопа. В левой верхней части панели осциллоскопа находится индикатор, показывающий, какой именно сигнал (входной или выходной) показан на экране.

На субпанели "Спектр выходного сигнала" разделены панель виртуального анализатора спектра и субпанель индикации параметров гармоник "Спектр выходного сигнала". На экран анализатора спектра выводятся значения амплитуд или фаз пяти начальных гармоник выходного сигнала, включая постоянную составляющую. Над экраном находится строковый индикатор, указывающий какой вид спектра (амплитудный или фазовый) отображается. Кроме того, на индикаторы массивов выводятся значения амплитуд, фаз и мощностей гармоник.

В верхней части лицевой панели прибора находится графический индикатор для отображения графиков амплитудной или модуляционной характеристик цепи. Вид отображаемой характеристики указывает строковый индикатор, находящийся в левом верхнем углу панели индикатора характеристик.

Масштабы и диапазоны измеряемых величин устанавливаются на табло графических индикаторов автоматически.

На рис. 1 показаны исходные данные и результаты измерения в режиме определения амплитудной характеристики. Отмечено, что на нелинейный резистор с ВАХ у=х³ действует синусоидальный сигнал с максимальной амплитудой 1 В и частотой 100 Гц. Число выборок сигнала - 41. Дополнительный сигнал постоянного уровня имеет уровень 1 В. Амплитудная характеристика строится по 10 уровням.

Лицевая панель, изображенная на рис.2 отражает исходные данные и результаты измерения амплитудного спектра выходного сигнала при действии на входе прежнего сигнала и указанной выше форме ВАХ нелинейного резистора.

На рис. 3 отражен режим определения фазового спектра выходного сигнала.

Выбранное для показанных на рис. 1-3 режимов число выборок достаточно для работы прибора, что и отмечается на табло индикатора "Оценка результатов измерений".

3. Используемое программное обеспечение

Прибор Pax.vi создан средствами среды графического программирования LabVIEW 7.1. В него включены как подприборы функции Eval Multi-Variable Scalar.vi, Chebyshev Filter.vi, Peak Detector.vi, Amplitude and Phase Spectrum.vi, AC&DC Estimator.vi. Объем памяти, занимаемый прибором Pax.vi на жестком диске составляет 269,5 К. Время получения одного отчета характеристик - около 0,5 мс. Спектр выходного сигнала определяется практически мгновенно.

4. Внедрение и развитие решения

Виртуальный прибор внедрен в лабораторный практикум по дисциплине "Основы теории цепей", проводимый кафедрой "Цифровые радиотехнические системы" для студентов направлений "Радиотехника" и "Телекоммуникации", обучающихся в Южно-Уральском государственном университете.

Планируется включить прибор Pax.vi в разрабатываемую лабораторную установку для проведения натурного эксперимента по исследованию свойств и характеристик нелинейных резистивных цепей.

Разработанный прибор может применяться в лабораторном практикуме при изучении общепрофессиональных дисциплин студентами направлений радиоэлектроники и телекоммуникаций.