Автоматизированный дистанционный лабораторный практикум по курсу «радиотехнические цепи и сигналы»
1. Введение
Дисциплина «Радиотехнические цепи и сигналы» является одной из базовых и входит в учебную программу многих специальностей в области радиотехники и телекоммуникаций. На сегодняшний день, в силу физической устарелости и выхода из строя ряда измерительных приборов и лабораторных макетов, большая часть работ практикума этой дисциплины (а также ряда других дисциплин) выполняются только на основе программных моделей.
Как известно, моральная и физическая устарелость приборного парка лабораторий ВУЗов является одной из основных проблем в сфере инженерного образования. Подходом, ставшим сегодня традиционным, при решении подобных задач является использование виртуальных измерительных технологий National Instruments. Помимо модернизации лабораторного оборудования использование этих технологий позволяет создавать автоматизированные измерительные системы практически любой сложности и производительности, а также осуществлять интеграцию этих систем с телекоммуникационными сетями, обеспечивая возможность дистанционного управления реальными физическим объектами.
В работе ставится задача перевода лабораторного практикума по курсу «Радиотехнические цепи и сигналы» на современную аппаратную базу и обеспечения возможности дистанционного выполнения лабораторных работ.
Создание дистанционного лабораторного практикума выполнялось с целью расширения лабораторной базы системы автоматизированных дистанционных лабораторий по общетехническим инженерным дисциплинам. Эти работы ведутся в Центре дистанционных автоматизированных учебных лабораторий КГТУ имени А.Н. Туполева.
2. Автоматизированная измерительная система на базе Nl ELVIS
В дистанционный лабораторный практикум вошли следующие работы:
1. «Прохождение детерминированных сигналов через линейные цепи» - изучение спектрального метода анализа передачи детерминированных сигналов через линейные цепи и особенностей прохождения управляющих детерминированных сигналов через типовые радиотехнические цепи;
2. «Прохождение модулированных сигналов через цепи» - исследование искажений амплитудно-модулированных сигналов с огибающей различных форм при прохождении через однокаскадный избирательный усилитель;
3. «Амплитудная модуляция» - изучение принципов формирования АМ- сигналов и процессов, происходящих в амплитудном модуляторе;
4. «Детектирование амплитудно-модулированных колебаний» - исследование процессов, происходящих при детектировании амплитудно-модулированных колебаний.
Структурная схема автоматизированной измерительной системы лабораторного практикума приведена на рис.1. Основными компонентами являются:
1) измерительная лабораторная станция Nl ELVIS;
2) многоканальное устройство ввода-вывода аналоговых и цифровых сигналов, подключаемое к ПК;
3) печатные платы с набором исследуемых схем, устанавливаемые на макетном поле NI ELVIS.
Выполнение лабораторных работ может осуществляться в двух режимах: дистанционно и локально.
Так как каждая лабораторная работа может содержать до четырех исследуемых схем, то для автоматизации четырех работ необходимо использование четырех каналов ЦАП и до шестнадцати каналов АЦП. Однако, согласно методике, работа с исследуемыми схемами при выполнении экспериментов осуществляется всегда только последовательно во времени. Таким образом, с целью сокращения необходимого числа измерительных каналов их подключение к исследуемым схемам осуществляется посредством аналогового коммутатора АК2. Для формирования сигналов входных воздействий вместо четырех может использоваться только один канал ЦАП. В этом случае использование коммутатора АК1 позволяет исключить взаимное влияние схем друг на друга. Аналоговые коммутаторы размещаются непосредственно на наборном поле макета, как показано на рис.2.
При локальном выполнении лабораторных работ для формирования входных воздействий может использоваться встроенный функциональный генератор станции Nl ELVIS. При этом отпадает необходимость в использовании коммутаторов, так как все соединения выполняются студентом вручную. Встроенные измерительные приборы станции Nl ELVIS в дальнейшем могут быть использованы для тестировании и наладки исследуемых схем.
3. Программное обеспечение
В дополнении к виртуальным измерительным приборам, входящим в состав базового программного обеспечения (ПО) Nl ELVIS, было разработано дополнительное ПО, позволяющее повысить степень автоматизации лабораторного практикума (структурная схема представлена на рис.3). Это ПО имеет двухуровневую архитектуру, состоящую из измерительной и клиентской частей. Для организации их совместной работы используется механизм синхронной передачи данных Notifier, являющийся элементом среды LabVIEW.
Для дистанционного доступа и управления лабораторными экспериментами через телекоммуникационные сети используется ранее созданная в КГТУ им. А.Н. Туполева система дистанционного управления [1]. ПО этой системы имеет трехуровневую архитектуру, компонентами которой являются:
1) ПО главного сервера;
2) ПО измерительного сервера;
3) ПО удаленного пользователя Distant Lab [1].
В отличии от дистанционной лаборатории по курсу «Электроника» [2], измерительная система практикума «Радиотехнические цепи и сигналы» реализована на базе измерительной станции Nl ELVIS, что обусловило необходимость доработки программного кода измерительного сервера, непосредственно управляющего измерительным процессом.
НПП Центральная лаборатория автоматизации измерений
111250 Москва, Энергетическая улица, д.7, офис 311
E-mail: Данный адрес e-mail защищен от спам-ботов, Вам необходимо включить Javascript для его просмотра.
Аппаратно-программный комплекс для исследования АЧХ и ФЧХ активных фильтров
1. Постановка задачи
Несмотря на успехи цифровой фильтрации, задача построения и исследования аналоговых фильтров остается актуальной и востребованной. Для ее решения необходимы не только эффективные средства синтеза и моделирования, которые в настоящее время успешно реализуются с помощью соответствующего программного обеспечения, но и высокопроизводительные инструменты для автоматизации экспериментального определения амплитудно-частотных (АЧХ) и фазо-частотных (ФЧХ) характеристик активных фильтров.
Существующие специализированные приборы не всегда позволяют обеспечить требуемое для решения практических задач соотношение быстродействия, точности и стоимости. Кроме того, они зачастую не обладают необходимой широтой функциональных возможностей. Авторами предложено решение задачи автоматизированного определения АЧХ и ФЧХ аналоговых фильтров в виде аппаратно-программного комплекса (АПК), построенного с применением технологий NI.
2. Описание решения
Алгоритм работы АПК построен на методе анализа АЧХ и ФЧХ, основанном на сравнении двух сигналов: тестового гармонического сигнала на входе исследуемой цепи (ИЦ) и сигнала отклика.
АПК можно разделить на два основных блока: виртуальный генератор (ВГ) и виртуальный прибор сравнения (ВПС), индицирующий значения полученных амплитуды и фазы. Структурная схема АПК показана на рисунке 1.
Рис.1. Структурная схема АПК
В установленном пользователем диапазоне частот ВГ формирует гармонический тестовый сигнал заданной амплитуды. Перестройка частоты генератора определяется числом анализируемых точек в заданном диапазоне. Минимальный шаг, с которым может перестраиваться генератор, составляет 1 Гц.
ВПС организует параллельное считывание значений тестового сигнала и сигнала отклика исследуемой цепи. Сравнение результатов измерения сигнала отклика с результатами измерения тестового сигнала (вместо сравнения с его программно заданными значениями) позволяет учитывать реальные параметры тестового сигнала и тем самым повысить достоверность определения АЧХ и ФЧХ. Для исключения влияния переходных процессов, которые могут возникнуть при перестройке генератора, сбор данных происходит с регулируемой задержкой. Вычисление амплитуды и начальной фазы полученных сигналов осуществляется стандартной функцией Extract Single Tone Information. Так как при параллельном сборе данных входящая в состав АПК плата DAQ 6251 использует один АЦП на все каналы и мультиплексор (псевдопараллельный сбор данных), то возникает постоянная межканальная задержка. Задержка дополнительно смещает во времени сигнал отклика относительно тестового сигнала, вызывая ошибку в определении фазы, причем погрешность измерения растет с ростом частоты. Компенсация межканальной задержки осуществляется с помощью программной коррекции. Для контроля работоспособности ИЦ реализован триггерный запуск АПК. В случае отсутствия сигнала отклика выводится сообщение об ошибке, а дальнейшее исполнение программы виртуального прибора прекращается. В случае отсутствия ошибки прибор работает в нормальном режиме.
За счет организации непрерывного буферизированного процесса генерации и считывания значений сигналов удалось существенно повысить быстродействие АПК. Для удобства эксплуатации в программе реализованы два режима работы: однократный и непрерывный. В отличие от однократного, непрерывный режим предусматривает циклический перезапуск прибора, что удобно при быстром анализе АЧХ и ФЧХ исследуемых схем по небольшому числу точек (20-30). Этот режим можно использовать при ручной настройке исследуемого фильтра. При анализе характеристик с большим количеством исследуемых точек, лучше использовать однократный режим, когда после окончания измерения прибор останавливается, а все результаты измерения и настройки сохраняются до следующего запуска. Лицевая панель прибора (рисунок 2) содержит следующие вкладки: АЧХ и ФЧХ исследуемого прибора, Нормированная АЧХ, Осциллограммы, Настройки. Для повышения удобства эксплуатации данного прибора некоторые органы управления и индикаторы доступны на всех вкладках меню.
Рис.2. АЧХ и ФЧХ исследуемого фильтра.
С помощью регулятора Выбор диапазона устанавливаются верхняя и нижняя границы анализируемого диапазона частот. Для удобства пользователя масштаб графиков автоматически меняется в соответствии с выбранным диапазоном частот. Индикатор Прогресс отражает завершенность процесса измерения. На вкладке Количество точек для исследования выбирается количество анализируемых точек в указанном пользователем частотном диапазоне.
На вкладке меню АЧХ и ФЧХ исследуемого прибора (рисунок 2) отображаются полученные графики АЧХ и ФЧХ исследуемого фильтра. Такое расположение на одной вкладке создает удобство при работе с АПК, что имеет важное преимущество по сравнению с традиционными инструментами. Верхний график отражает зависимость напряжения в вольтах на выходе фильтра от частоты в герцах. На нижнем графике строится ФЧХ.
На вкладке меню Нормированная АЧХ (рисунок 3) отображается нормированный график АЧХ исследуемого фильтра. Данная вкладка меню применяется при необходимости оценки модуля коэффициента передачи ИЦ.
Рис.3. Нормированная АЧХ исследуемого фильтра.
На вкладке меню Осциллограммы (рисунок 4) показываются временные диаграммы сигнала, отображающие ход эксперимента. Данная функция позволяет визуально контролировать амплитудные значения и форму входного и выходного сигналов исследуемого фильтра. .
На вкладке меню Настройка (рисунок 5) расположены органы управления и индикаторы прибора. Вкладка содержит настройку и контроль основных параметров работы АПК: значение амплитуды на входе исследуемого фильтра, значение амплитуды напряжения на выходе исследуемого фильтра, частотный диапазон измерения, шаг изменения частоты, величину внесенной коррекции ФЧХ в градусах и время, затраченное на проведение последнего измерения, а также опцию сохранения результатов в файл.
Кроме того, здесь же указываются входные и выходной каналы DAQ, используемые АПК, и настройки триггера для старта АПК.
Рис. 4. Полученные осциллограммы.
Рис. 5. Меню настройки.
Технические характеристики АПК:
- диапазон исследуемых частот: 250 - 250000 Гц;
- минимальный шаг перестройки генератора: 1Гц;
- погрешность установки частоты генератора (не более): ±0,0015%;
- возможное число точек для исследования: 4 - 249750;
- время исследования 50 точек: 4,6 сек.
Амплитуда тестового сигнала ВГ: рекомендуемая 0,1 - ЗВ; макс. — 10 В.
По результатам серии экспериментов относительная погрешность измерения АЧХ составила (не более):
- в диапазоне 250 - 100000 Гц: 0,5%;
- в диапазоне 100 кГц - 200 кГц: 1,4 %;
- в диапазоне 200 кГц - 250 кГц: 2,5% Абсолютная погрешность измерения ФЧХ (не более):
- в диапазоне 250-100000 Гц: 2°;
- в диапазоне 100 кГц - 250 кГц: 5°.
На рисунке 6 приведены графики АЧХ и ФЧХ при работе АПК в режиме короткого замыкания выхода на вход.
Рис.6. АЧХ и ФЧХ в режиме КЗ.
3. Используемое оборудование и программное обеспечение.
В состав аппаратно-программного комплекса входят: среда программирования NI • LabVIEW, набор драйверов DAQ 7.5, разработанный виртуальный прибор, плата ввода-вывода М-серии NI PCI-6251, соединительные шлейфы, персональный компьютер (процессор: Intel Pentium 4(2.8ГГц), ОЗУ: 512 Мбайт).
4. Внедрение и развитие решения.
Разработанный АПК может быть использован для решения как учебных, так и исследовательских задач. Применение технологий NI позволило реализовать алгоритм, не предъявляющий особых требований к аппаратным ресурсам персонального компьютера и в тоже время обладающий высокими быстродействием и точностью. Использование среды LabVIEW позволило создать простой и удобный пользовательский интерфейс, позволяющий динамически управлять параметрами работы АПК в соответствии с задачами пользователя. Элементы интерфейса АПК подчиняются требованиям эргономики и функциональности, а не ограничениям, накладываемым аппаратным построением традиционных приборов. Созданный аппаратно-программный комплекс используется в Пензенском государственном университете на кафедре "Радиотехника и радиоэлектронные системы" для исследования характеристик фильтров различных видов и порядков при проведении лабораторных работ по курсу "Радиотехнические цепи и сигналы". Данный АПК также находит применение в научных исследованиях, проводимых аспирантами кафедры, при решении задач точной настройки исследуемых цепей.