Навигация
Поиск
Информация
Контакты
an image
НПП Центральная лаборатория автоматизации измерений
111250 Москва, Энергетическая улица, д.7, офис 311
(495) 134-03-49
E-mail: Данный адрес e-mail защищен от спам-ботов, Вам необходимо включить Javascript для его просмотра.

Виртуальный измеритель частотных характеристик на основе использования звуковой карты ПК

1. Постановка задачи

Задачей исследования было исследование возможности создания автоматизированного виртуального измерителя частотных характеристик (АЧХ, ФЧХ) низкочастотного диапазона, на основе использования встроенной в ПК штатной звуковой карты (ЗК), что позволило бы значительно снизить стоимость такого рода приборов и, следовательно, расширить возможности их применения, в частности, в учебных целях.

2. ВУЗ, кафедра или предприятие, на котором внедрено решение

На данный момент внедрения нет, в перспективе использование в КГТУ им. А.Н. Туполева на кафедре РИИТ в лабораторной работе по исследованию частотных характеристик.

3. Описание решения

Для достижения поставленной задачи создания виртуального измерителя частотных характеристик было необходимо рассмотреть следующие вопросы:

1. Поскольку штатная работа звуковой карты с ПК предполагает их работу в двух альтернативных режимах - либо ввода, либо вывода сигналов - нужно было выяснить возможность одновременной работы в реальном времени обоих режимов (одновременного вывода входного и ввода выходного аналоговых сигналов исследуемого объекта (ИО).

2. Разработать алгоритм и программное обеспечение формирования и вывода из ЗК входного сигнала, воздействующего на ИО, в сочетании с вводом и обработкой в ПК выходного сигнала ИО.

3. Исследовать неравномерность частотных характеристик и длительность переходных процессов каналов вывода-ввода и принять меры по устранению их влияния на характеристики ИО.

4. Провести экспериментальную проверку работы прибора на виртуальных и реальных ИО с известными характеристиками.

В качестве программного средства виртуального прибора был выбран ППП LabVIEW[1].

В этой программной среде была составлена программа формирования цифрового гармонического сигнала s1(t) с возможностью автоматического и ручного управления его частотой в диапазоне от 1 Гц до 20 кГц при заданной постоянной амплитуде сигнала.

Исследования показали, что при прохождении сформированного сигнала напрямую через каналы вывода и ввода ЗК он появлялся на экране ПК с независящей от частоты задержкой τ3=2,5мс и с временем установления колебаний τk, зависящем от частоты сигнала /. А именно: на низших частотах τk~1/f, то есть оно примерно равно периоду колебаний, а на верхних частотах становится постоянным порядка 5 мс (рис. 1а). Для выяснения, какое из устройств ввода-вывода определяет длительность задержки и переходного процесса, был исследован переходной процесс канала ввода ПК. Оказалось, что время переходного процесса в этом канале много меньше, чем τk и, следовательно, много меньше, чем у канала вывода.

а

б

Рис. 1

Далее была исследована сквозная частотная зависимость коэффициента передачи устройств вывода-ввода. Выяснилось, что эта частотная характеристика неравномерна в рабочем диапазоне частот (рис. 16). Очевидно, что это обстоятельство, а также выявленную задержку сигнала необходимо учитывать при измерении АЧХ и ФЧХ исследуемых объектов.

Для автоматизированного получения на экране монитора частотных характеристик была выбрана ступенчато-частотная модуляция воздействующего сигнала с одинаковой длительностью частотных ступеней ∆t, которая, очевидно, должна быть много больше τ3k. При этом ещё необходимо учитывать и длительность τ0 установления колебаний в самом ИО. (Если, например, ИО представляет собой колебательный контур с резонансной частотой f = 100 Гц и добротностью Q = 10, то τ0= Q/f = 0,1с ) Так что длительность ступени следует выбирать из условия ∆t >> τ3k0, а обработке подвергать лишь установившиеся значения выходного сигнала ИО - спустя время tn ≥ τ3k0 от начала каждой ступени, измеритель использует только вторую половину сигнала, то есть tn = ∆t/2.

Поскольку на АЧХ и ФЧХ ось частот обычно представляется в логарифмическом масштабе, целесообразно выдерживать постоянный шаг ступени в том же масштабе. Этот шаг равен lg(fi/fi-1) = lg kf = const Следовательно, в абсолютном значении размер ступени ∆f = fi-fi-1 будет нарастать по геометрической прогрессии с коэффициентом kf.

Величина частотной ступени lg kf, определяющая количество дискретных точек N = lg(fmin/fmax)/lg kf на частотных характеристиках, должна выбираться из условия, чтобы максимальный шаг квантования ординаты характеристик оставался много меньше их полного размаха, т.е. чтобы значение lg kf удовлетворяло условиям:

где К - модуль комплексного коэффициента передачи, а φ - его аргумент. Поскольку численные значение параметров, входящих в (1), а также τ0 зависят от свойств ИО, необходимо предусмотреть возможность регулировки значений ∆t,tn,N,fmin,fmax в широких пределах (см. панель прибора рис. 2).

Разумеется, необходима и регулировка величины сигнала U1 (в действующих значениях), на входе ИО. Диапазон регулировки U1min...U1max определяется, с одной стороны, максимальным значением напряжения на выходе карты U1max, с другой стороны - уровнем шумов Uш, приведенных ко входу канала ввода ЗК, например, можно принять U1min =10Uш.

предусмотреть возможность регулировки значений ∆t,tn,N,fmin,fmax

Рис.2

Как известно, экспериментальные АЧХ и ФЧХ вычисляются на основе сравнения сигналов U1 и U2 на входе и выходе ИО. Однако частотная зависимость каналов вывода, ввода и задержка сигнала в них приводит к тому, что частотные зависимости цифровых сигналов S1 и S2 в ПК будут заметно отличаться от аналогичных зависимостей U1 и U2. А именно: U1= S1/K1 U2=K2S2, где К1,K2 - коэффициенты передачи соответственно каналов вывода и ввода. Следовательно, коэффициент передачи исследуемого объекта

K = U2/U1=KlK2S2/S1=K12 S 2/S1,

где K12 - «сквозной» коэффициент передачи измерителя, зависящий от частоты.

Таким образом, для получения АЧХ и ФЧХ ИО необходимо предварительно измерять в идентичных условиях «сквозные» АЧХ и ФЧХ измерителя. Однако, поскольку ЗК содержит второй идентичный стереоканал вывода-ввода, он был использован нами для синфазного измерения K12 (одновременно с K).

Экспериментальная проверка показала, что идентичность двух каналов соблюдается с погрешностью не более 0,1% по АЧХ и не более 10 по ФЧХ в диапазоне частот от 1 Гц до 10 кГц.

Основные параметры измерителя имеют следующие диапазоны регулирования: U1 =0-900л*£; fmin= (1-10000) Гц; fmax=(1-10000) кГц; N = (1-1000);

а

б

Рис. 3

t = (30-10000) мс. Проверка работы прибора проведена на RC-четырехполюсниках 1-го и 2-го порядка (рис. 3 а,б), АЧХ и ФЧХ которых определяются соответствующими аналитическими соотношениями [2].

Эти объекты были смоделированы в том же ППП для контроля цифровой части измерителя. Поскольку её точность и точность реализации цифровой модели объектов существенно выше, чем у аналоговой части измерителя, полученные частотные характеристики моделей были использованы в качестве образцовых для сравнения с АЧХ и ФЧХ реальных четырехполюсников (рис. 4а,б).

Риг 7

В результате такого сравнения оказалось, что отличие реальных характеристик от теоретических не превышает 1,5% по АЧХ и 50 по ФЧХ. Эти погрешности обусловлены, как погрешностью работы ЗК, в частности, не полной идентичностью её стереоканалов, так и погрешностью самих объектов, реальные параметры которых не идеально совпадали с расчётными (заложенными в модели).

• В результате проведенного исследования был создан виртуальный прибор внешняя панель которого показана на рисунке 2. Его основные параметры имеют следующие диапазоны регулирования: амплитуда воздействующего сигнала 0- 900 мВ, частота 1-10000 Гц, число дискретных ступеней 1-1000, длительность одной ступени 30-10000 мс.

• Созданный виртуальный прибор для своего функционирования требует наличия лишь ПК со звуковой картой и установленным пакетом LabVIEW. Погрешность измерения АЧХ не превышает 1,5%, по ФЧХ - 5°.

4. Перспективы внедрения и развития решения - отрасли, названия предприятий, и т.п.

Устройство может быть использовано для использования в лабораторных работах по изучению частотных характеристик цепей, для поверки аудиотехники и исследования вибрационных характеристик.

5. Используемое оборудование и программное обеспечение National Instruments

Используется программная среда LabVIEW 7.0

6. Список литературы

1. Лещев Л.Н. Основы LabVIEW, Санкт-Петербург: БХВ-Петербург, 2004, 468с.

2. Попов А.Л. Основы теории цепей, М.: Связь, 2001, 476с.