Лабораторная работа №4.

Аналоговый ввод и вывод в контроллере NI PCI 6621 в среде LabView.

Цель работы:

5. Научиться основным принципам работы в графической среде LabVIEW

6. Создать аналоговый и цифровой вольтметры, измеряющие сигнал с симулятора генератора.

7. Создать аналоговый и цифровой вольтметры, измеряющие реальные сигналы с контроллера NI PCI 6621. Провести контрольные измерения.

8. Написать программу в среде LabView, реализующую генератор импульсов специальной формы на основе NI PCI 6621 на основе симулятора и без него. Провести измерения.

Первичную информацию о приемах работы в графической среде LabVIEW можно получить в документе «Введение в LabVIEW 7.doc»

Многофункциональное уст­ройство сбора данных NI (National Instruments) PCI 6621.

Данный контроллер, относящийся к М-серии, инсталлируется в PCI слот материнской платы. Он имеет входы и выходы для аналоговых сигналов, цифровые входы-выходы (3 порта по 8 линий), а также генератор и таймеры-счетчики, выведенные на те же линии цифрового ввода-вывода.

Аналоговый ввод

Число каналов	8 дифференциальных или 16 одиночный
Разрядность АЦП	16 бит
Скорость передачи данных:	0 - 250 килосэмплов/с
Разрешение по времени	50 нс
Пределы измерения:	±10 В, ±5 В,±1 В, ±0.2 В
Ширина полосы частот (-3 дБ)	700 кГц
Размер буфера FIFO	4.095 сэмплов (отсчетов)

Аналоговый вывод

Число каналов	2
Разрядность ЦАП	16 бит
Скорость передачи данных:	740 килосэмплов/с
Разрешение по времени	50 нс
Пределы измерения:	±10 В
Выходной ток	±5 мА
Размер буфера FIFO	8.191 сэмплов (отсчетов)

Аналоговый ввод

В основных спецификациях устройств сбора данных, доступных для большинства продуктов, указываются количество входных каналов, частота оцифровки, разрешение и входной диапазон напряжений, поддерживаемые данным устройством.

• Количество каналов – для приборов с однопроводными и дифференциальными аналоговыми каналами ввода сигналов обычно указывается число входов обоих типов. Однопроводные входы имеют общую землю и используются в случае, когда входной сигнал имеет высокую амплитуду (свыше 1 В), и когда провода, соединяющие источник сигнала и оборудование аналогового ввода, обладают длиной менее 4,5 м. Если входные сигналы не удовлетворяют этим требованиям, то используются дифференциальные входы. В этом случае каждый вход устройства сбора данных имеет собственную «землю», что приводит к устранению синфазного шума в проводах и уменьшению числа ошибок.

• Частота оцифровки – данный параметр определяет то, насколько часто происходит аналого-цифровое преобразование входного сигнала. Более высокая частота оцифровки позволяет получить большее количество отсчётов за одинаковое время, т.е. лучше «прописать» форму исходного сигнала. Оцифровка данных может производиться несколькими аналогово-цифровыми преобразователями (АЦП) одновременно или одним АЦП в режиме мультиплексирования, которое является стандартный методом измерения сигналов на с нескольких входных каналов с помощью одного АЦП. В этом режиме АЦП сначала оцифровывает один канал, затем переключается на другой, и так далее.

• Разрешение АЦП – это количество бит, используемое АЦП для представления аналогового сигнала в цифровом виде. Чем выше разрешение АЦП, тем большее количество интервалов используется для разбиения входного диапазона, и тем меньше минимальное измеряемое изменение напряжения. На рис. 3 показана синусоидальная волна и соответствующий ей цифровой образ, полученный с помощью идеального 3-битного АЦП. Преобразователь с разрешением 3 бита (который на самом деле почти нигде не используется, но является хорошим примером) делит диапазон аналогового сигнала на 2³ = 8 интервалов. Каждый интервал представляется двоичным числом между 000 и 111. Очевидно, что в данном случае цифровое представление не очень хорошо соответствует исходному аналоговому сигналу, поскольку информация при преобразовании была потеряна. Однако при увеличении разрешения до 16 бит, количество интервалов измерения АЦП возрастает с 8 до 65 536, что позволяет получать очень точное цифровое представление аналоговых сигналов

Рис. 1. Синусоидальная волна, оцифрованная с разрешением 3 бита.

• Диапазон измерений – диапазон уровней напряжения входных сигналов, который способен оцифровать АЦП. В многофункциональных приборах DAQ компании NI имеется возможность настройки диапазона измерений сигналов и, таким образом, работать с сигналами различного уровня. Приведение амплитуды сигнала к входному диапазону АЦП позволяет полностью использовать все доступное разрешение преобразователя.

• Ширина кода – диапазон измерений, разрешение и усиление устройства сбора данных определяют минимальное измеряемое изменение сигнала. Это изменение напряжения соответствует одному младшему значащему разряду (МЗР) цифрового представления сигнала и обычно называется шириной кода. Идеальная ширина кода находится путём деления диапазона измерений напряжения на коэффициент усиления и количество интервалов, на которые может быть разбит входной диапазон сигнала пре его оцифровке (двойка, возведённая в степень, равную величине разрешения АЦП). Например, один из 16-разрядных многофункциональных приборов NI DAQ 6030E предоставляет выбор между входными диапазонами сигналов 0-10 В и ±10 В и коэффициентами усиления 1, 2, 5, 10, 20, 50 или 100. При диапазоне от 0 до 10 В и усилении 100, идеальная ширина кода определяется следующим выражением: 10 / ( 100 * 216) = 1,5 мкВ

Аналоговый вывод

Аналоговый вывод часто используется для задания внешнего воздействия на контрольно-измерительную систему. Качество выходного сигнала при этом определяется несколькими характеристиками цифро-аналоговых преобразователей (ЦАП): временем установления, скоростью нарастания выходного напряжения и выходным разрешением.

• Время установления – это время, необходимое для установления с заданной точностью на аналоговом выходе устройства сигнала определённой величины. Время установления обычно указывается для изменения величины выходного напряжения от минимального до максимального значения.

• Скорость нарастания выходного напряжения – максимальная скорость изменения выходного сигнала, которую может достичь ЦАП. Время установления и скорость нарастания выходного напряжения определяют то, как быстро ЦАП может изменить амплитуду выходного сигнала. Таким образом, ЦАП с маленьким временем установления и с высокой скоростью нарастания может генерировать высокочастотные сигналы, поскольку на изменение уровня выходного напряжения с заданной точностью ему требуется меньше времени.

Примером приложения, где требуются хорошие вышеуказанные параметры, является задача генерации высокочастотных акустических сигналов. С другой стороны, в источнике напряжения для управления нагревательным элементом быстрого цифро-аналогового преобразования не требуется, поскольку температура не сможет очень быстро реагировать на измерения напряжения.

• Выходное разрешение – как и в случае аналогового ввода данный параметр определяет количество разрядов в цифровом коде, который используется для генерации аналогового сигнала. Чем выше разрядность ЦАП, тем меньше инкремент напряжения, и тем более гладкий сигнал получается на выходе генератора. В приложениях, в которых требуется широкий динамический диапазон с маленьким инкрементом напряжения для выходного аналогового сигнала, следует использовать ЦАП с высоким разрешением.

Аналоговый и цифровой вольтметры, измеряющие сигнал с симулятора генератора.

Для начала создадим программу, работающую не с реальным прибором, а с симулятором сигнала специальной формы. Для этого ознакомьтесь с демонстрационной программой «volt_sim.exe». А теперь создайте аналогичную программу, выполнив следующие действия.

1. Откройте программу LabView. Создайте новый виртуальный инструмент (New VI).

2. Щелкните правой клавишей мыши на лицевой панели (Front Panel). Выберите в Num Inds элемент Gauge (Измеритель) и отбуксируйте его на панель. В окне программ (Block Diagram) появится соответствующий элемент.

3. Щелкните по этому элементу правой клавишей мыши и выберите Properties. Установите диапазон измеряемых и отображаемых величин от -5 до +5 В, как на вкладке Data Range, так и на вкладке Scale.

4. В окне программ (Block Diagram) вокруг элемента Gauge создайте цикл по условию (While Loop), взяв его из группы элементов Exec Ctrl.

5. Аналогично создайте элемент «цифровой индикатор» (Num Ind) внутри цикла.

6. Источником сигнала выберем элемент Simulate Sig из группы Input в окне программ (Block Diagram). Зададим ему свойства: форма сигнала – треугольная, частота – 0,01 Гц, амплитуда – 5 вольт.

7. Для управления симулятором сигнала создадим аналоговый элемент управления Dial из группы NumCtrl. Теперь соединим вход Amplitude симулятора с элементом Dial. Выход симулятора соединим с индикаторами.

8. Для удобства контроля амплитуды симулятора создадим еще один элемент - цифровой индикатор (Num Ind) внутри цикла.

9. Для управления частотой используйте цифровой элемент управления Num Ctrl совместно с делителем на 1000.

10. Аналогично создайте элемент управления смещением (offset) сигнала.

11. Расположите элементы наиболее удобно. Добавьте элементы декора. Сохраните программу.

12. Запустите программу. Измените амплитуду, частоту и смещение сигнала. Пронаблюдайте колебания стрелки аналогового индикатора и показания цифровых индикаторов.

13. Включим – выключим схему кнопкой стоп. Как изменилось возможность управлять схемой?

Измерение реальных сигналов с контроллера NI PCI 6221.

Демонстрационная программа «volt_real.exe» поможет вам понять поставленную задачу и реализовать ее. Слева расположен элемент управления линиями 0 и 1 цифрового вывода порта 1. Если одна из этих линий реально соединена с аналоговым входом 0, то вы увидите на нем появление напряжения +5 В или 0 в зависимости от выбора пользователя. Индикаторами уровня напряжения на аналоговым входе служат элементы Chart и Gauge. Создайте аналогичную программу.

Для измерения реальных сигналов вместо симулятора будем использовать один из каналов АЦП уст­ройства сбора данных NI PCI 6221. Используемый виртуальный инструмент называется – DAQ Assist, он расположен в разделе Input (Ввод Сигналов). Напоминаем, что щелчком правой кнопки мыши вы вызываете палитру Функции, затем выбираете в нужном разделе нужную иконку и буксируете ее в то место, куда вы ее хотите разместить.

1. Создайте новый виртуальный инструмент (New VI) с виртуальным инструментом DAQ Assist в окне программ (Block Diagram).

2. Создайте цикл For loop. Если задан одиночный режим отсчетов с аналогового входа, то наличие цикла обеспечит непрерывный режим работы. Внутри рамки цикла вы будете располагать остальные элементы.

3. Щелкните по виртуальному инструменту DAQ Assist и задайте его свойства:

• Выберите канал(ы) аналогового ввода (0-15) и режим работы – дифференциальный или одиночный, а также число отсчетов с канала.

• Проведите тестирование работы канала

• Посмотрите схему соединения

4. Создайте индикатор у выхода Data инструмента DAQ Assist. Для этого щелкните правой клавишей у выхода и выберите пункт меню «Create»-«Indicator»

5. Запустите программу на выполнение.

6. Подайте напряжение на заданный вами канал NI PCI 6621 с генератора или источника постоянного напряжения. Возможно использование цифрового выхода самого котроллера NI PCI 6621 - используйте демо-программу «volt_real.exe» или создайте элементы управления цифровым выходом сами.

7. Сравните показания виртуального прибора и реального вольтметра.

8. Удалите индикатор. Создайте аналоговый стрелочный индикатор Gauge. Соедините выход Data инструмента DAQ Assist с созданным индикатором.

9. Создайте индикатор Chart, имеющий вид осциллографа. Соедините выход Data инструмента DAQ Assist с созданным индикатором.

10. Можно создать индикатор строчного типа. Для преобразования типов данных используйте элементы «Number»->«String» и «String»->«Number».

11. Протестируйте вашу программу. Сравните показания виртуального прибора и реального осциллографа и вольтметра.

Аналоговый вывод. Генератор сигналов на основе симулятора.

Далее вы будете работать с цифровым выходом (ЦАП) контроллера. Демонстрационные программы «ao_sim_dc.exe», «ao_sim_gen exe» помогут вам понять поставленную задачу и реализовать ее. Обе программы созданы на основе симулятора сигнала, рассмотренного выше.

Первая из них генерирует постоянный сигнал, уровень которого управляется «ручкой», а элемент управления «precision» задает точность выводимого числа. Вторая программа позволяет генерировать синусоидальные импульсы с заданными амплитудой, частотой и смещением. Напишите аналогичные программы.

1. Создайте новый виртуальный инструмент (New VI).

2. Для управления симулятором сигнала создадим аналоговый элемент управления Dial из группы NumCtrl. Соединим вход Amplitude симулятора с элементом Dial.

3. Источником сигнала выберем элемент Simulate Sig из группы Input в окне программ (Block Diagram). Зададим ему свойства: форма сигнала – DC (постоянный ток).

4. Создайте элемент управления для смещения (offset) типа Dial и соединим его со входом «offset» Simulate Sig.

5. Для лучшей индикации напряжения создайте строчный индикатор, который соедините с элементом «Dial» через преобразователь «Number To Exponential String», задав ему элемент для ввода точности выводимого числа.

6. Протестируйте программу.

7. Аналогично сделайте новую программу для генератора специальной формы. Источником сигнала выберем элемент Simulate Sig из группы Input в окне программ (Block Diagram). Зададим ему свойства: форма сигнала – синусоидальная или треугольная, частота – 0,01 Гц, амплитуда – 5 вольт.

8. Для управления частотой создадим числовой элемент управления. Для этого щелкните правой клавишей у входа «Frequency» и выберите пункт меню «Create»-«Control»

9. Аналогично создайте элемент управления для смещения сигнала (offset).

10. Создайте новый виртуальный инструмент DAQ Assist. Щелкните по DAQ Assist и задайте его свойства:

• Выберите канал(ы) аналогового вывода (0-1)

• Проведите тестирование работы канала

• Посмотрите схему соединения

11. Выход «Sine» симулятора соединим с входом «Data» инструмента DAQ Assist.

12. Создайте графический индикатор Waveform Graph, имеющий вид осциллографа. Соедините выход Data инструмента DAQ Assist с созданным индикатором.

13. Сравните показания виртуального прибора и реального осциллографа. Проведите измерения с разными частотами и амплитудами.

Аналоговый вывод. Генератор сигналов без симулятора.

Запустите и проанализируйте работу демонстрационной программы «ao_dc.exe», которая не использует симулятора. На входе и выходе имеются массивы для управления обоими каналами аналогового выхода и индикации напряжения. Создайте аналогичную программу. Для работы с массивами почтите документ «Введение в LabVIEW 7». Размерности и тип массивов источника и приемника данных должны совпадать.

Дополнительные задания повышенной сложности

6. Измените свой виртуальный прибор так, чтобы реализовать измерение и отображение значений напряжения по нескольким каналам одновременно. Сделайте ваш виртуальный осциллограф максимально удобным для пользователя.

7. Напишите программу для генератора спец.формы без использования симулятора на основе циклов.

Лабораторный отчет

• Введение в лабораторную работу, цель работы и что было достигнуто в ходе выполнения.

• Описание работы вашей программы. Если вы выполнили любое из дополнительных заданий, подробно изложите порядок ваших действий.

• Приведите по крайней мере три способа применения вашего программного вольтметра.

Контрольные вопросы

6. Сколько портов аналогового ввода у платы NI PCI 6621?

7. Сколько портов аналогового вывода у платы NI PCI 6621?

8. Какая разрядность АЦП и ЦАП?

9. Какая максимальная рабочая частота аналогового ввод/вывода?

10. Какой диапазон напряжений аналогового ввод/вывода у NI PCI 6621?

11. Что влияет но точность пребразования АЦ и ЦА?

2006 г. Доц. КФТТ Ивашенков О.Н