Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Электронная лаборатория на IBM PC. Инструментальные средства и моделирование элементов практических схем
.pdf
Серия «Библиотека инженера»
Карлащук В. И., Карлащук С. В.
Электронная лаборатория
íà IBM PC
Инструментальные средства
и моделирование элементов
практических схем
Москва
СОЛОН-ПРЕСС
202
1
ÓÄÊ 621.38
ÁÁÊ
32.844
21
Ê
Карлащук В. И., Карлащук С. В.
Электронная лаборатория на IBM PC. Инструментальные средства
и моделирование элементов практических схем. —
М.: СОЛОН-ПРЕСС, 2021 . — 140 с.: ил. — (Серия «Библиотека
инженера»)
ISBN 978-5-91359-009-1
Книга является приложением к одноименному двухтомнику 6-го издания. В
ней рассмотрены возможности использования аудио карты IBM PC (на примере
SBlive! 5.1 компании Creative Technology Ltd.) для создания измерительного комплекса в составе осциллографа, генератора сигналов различной формы, спектроанализатора, измерителя АЧХ-ФЧХ и др., а также примеры использования программы
Electronics Workbench для моделирования элементов при разработке практических
схем, в частности, системы охранной сигнализации и зарядно-восстановительного
устройства для малогабаритных аккумуляторов. Книга может быть полезной для
радиолюбителей, инженеров-разработчиков и студентов вузов.
Примеры и другая полезная информация для изучения материалов книги размещены на сайте www.solon-press.ru/pics-pri.zip.
Книги издательства «СОЛОН-ПРЕСС» можно заказать наложенным платежом (оплата
при получении) по фиксированной цене. Заказ оформляется одним из трех способов:
1. Послать открытку или письмо по адресу: 123242, Москва, а/я 20.
2. Оформить заказ можно на сайте www.solon-press.ru в разделе «Книга — почтой».
3. Заказать по тел. (495) 254-44-10, 252-73-26.
Бесплатно высылается каталог издательства по почте. Для этого присылайте конверт
с маркой по адресу, указанному в п. 1.
При оформлении заказа следует правильно и полностью указать адрес, по которому
должны быть высланы книги, а также фамилию, имя и отчество получателя.
Желательно указать дополнительно свой телефон и адрес электронной почты.
Через Интернет Вы можете в любое время получить свежий каталог издательства
«СОЛОН-ПРЕСС», считав его с адреса www.solon-press.ru/kat.doc.
Интернет-магазин размещен на сайте www.solon-press.ru.
По вопросам приобретения обращаться: ООО «АЛЬЯНС-КНИГА КТК»
Òåë: (495) 258-91-94, 258-91-95, www.alians-kniga.ru
Сайт издательства «СОЛОН-ПРЕСС»: www.solon-press.ru
КНИГА — ПОЧТОЙ
E-mail: solon-avtor@coba.ru
ISBN 978-5-91359-009-1 © Карлащук В. И., Карлащук С. В., 2021
© Макет и обложка «СОЛОН-ПРЕСС», 2021
Введение
Бурное развитие компьютерных технологий привнесло новые
направления и в развитие информационно-измерительной техники на основе виртуальных измерительных систем с использованием так называемы DAQ-boards (Data AcQuisition Boards — платы
сбора данных), встраиваемых непосредственно в ПК, и специализированных программных оболочек для сбора, обработки и визуального представления измерительной информации.
В состав DAQ-boards (на примере изделий компании National
Instruments) входят: многоканальные аналого-цифровые (АЦП) и
цифро-аналоговые (ЦАП) преобразователи, счетчики/таймеры с
программно управляемыми коэффициентами передачи по измеряемым величинам; процессоры сбора и обработки данных (на базе
Intel 80486, Intel Pentium и сигнальных процессоров, аналогичных
используемым в аудио картах), внешние программно-управляемые
модули предварительной обработки сигналов SCXI (обмен данными по шинам ISA, EISA), законченные программно-управляемые
приборы, работающие в интерфейсах RS-232, IEEE488, VXI, VME,
Q-bus и GPIB (многофункциональный интерфейс фирмы HP),
терминалы, сетевое и вспомогательное оборудование. Заметим,
что аналогичное оборудование других производителей и соответствующее программное обеспечение распространяется, например,
российской компанией ProSoft, занимающейся автоматизацией
технологических процессов.
Управление перечисленным оборудованием (на примере программы LabVIEW той же National Instruments) осуществляется через графический пользовательский интерфейс GUI (Graphics User
Interface) с использованием технологии Drag-and-Drop (перенес и
положил) путем манипулирования элементам управления на виртуальных приборных панелях, которые компонуются с помощью
графического программирования с использованием:
— сетевых суперсред для обеспечения функционирования на
распределенных информационных средах;
— интегрированных измерительных оболочек большой, сред-
ней и малой мощности для сбора, обработки и визуального
представления информации;
— проблемно-ориентированных оболочек для решения ограни-
ченного круга измерительных задач;
3
Введение
— прикладных проблемно-ориентированных пакетов для рас-
ширения функциональных возможностей программных оболочек в конкретной предметной области;
— инструментальных пакетов для расширения функциональ-
ных возможностей виртуальных инструментов;
— библиотеки драйверов (часто в виде расширения обычных
языков программирования);
— экспертных систем и баз данных;
— вспомогательных интерактивных проблемно-решающих
средств (например, MATHLAB);
— демонстрационно-обучающих программ;
— средств автоматизированного проектирования измеритель-
ных систем (DAQ Designer).
Следует заметить, что новая версия программы Electronics Wor-
kbench (EWB) (Multisim 9) [2], разработанная компанией Interactive (Electronics Workbench) уже в статусе подразделения National
Instruments, полностью интегрируется с последней версией программы LabVIEW 8.0.
В настоящее время программно-аппаратный комплекс National
Instruments LabVIEW наибольшее распространение получил в
учебных заведениях. Так, на его базе на кафедре общей физики и
волновых процессов физического факультета МГУ создан лабораторный практикум по современным системам автоматизации научных исследований, предусматривающий создание и ознакомление с методикой применения приборов следующего назначения:
— одновременный мониторинг температуры тела, влажности,
сопротивления кожи и ЭКГ;
— создание программируемого источника питания и генерато-
ра гармонических сигналов с частотой до 1 Гц;
— определение идентификационных параметров объекта путем
определения центра масс груза произвольной формы и отображение платформы весов с выделением груза с помощью
видеокамеры;
— программирование цифровых сигнальных процессоров (со-
здание двухканального генератора сигналов гармонической,
прямоугольной, треугольной формы и шумовых сигналов
различного типа);
4
— управление шаговым двигателем с двумя статорными обмот-
ками с помощью контроллера, управляемого по шине USB,
и распознавание объектов по шаблону;
— автоматическое обнаружение и слежение за движущимися
объектами с помощью оптического детектора движения;
— дистанционное управление осциллографом Tektronix
TDS-1012 с использованием интерфейсов GPIB и RS-232
для трансляции результатов измерения на ПК;
— автоматическое распознавание показаний аналогового стре-
лочного прибора с помощью видеокамеры;
— проведение спектрального и корреляционного анализа сиг-
налов с помощью созданных генератора и анализатора;
— исследование системы передачи данных по радиоканалу и
оптической линии связи (кодировка и формирование сигнала, передача, прием и расшифровка сообщения).
Из приведенных сведений видно, что LabVIEW обладает доста-
точно мощными аппаратно-программными средствами, однако
стоит это недешево. Например, для LabVIEW 8.0 потребуется ПК
с тактовой частотой процессора не менее 2 ГГц, свободным дисковым пространством около 3 Гбайт, размером оперативной памяти 1 Гбайт и операционной системой не ниже Windows 2000/XP
Service Pack 2. К этому необходимо добавить дополнительное оборудование от National Instruments стоимостью, превышающей стоимость самого ПК. Кроме того, потребуются дополнительные
средства и время на освоение этого гиганта, что, согласитесь, не
по плечу не только рядовому пользователю (радиоинженеру, предпринимателю, радиолюбителю и др.), но и многим предприятиям
и учебным заведениям. Учитывая эти обстоятельства, в первой
главе книги рассмотрено программное обеспечение для создания
виртуальной измерительной лаборатории с минимальными требованиями к ПК и операционной системе (простейший Pentium со
свободным дисковым пространством около 15 Мбайт, оперативной памятью 64 Мбайт, Windows95/98 и стандартной 16-битовой
аудио картой). При этом с помощью единственной аудио карты
удается реализовать:
1. Измерительные генераторы:
— белого и розового шума в непрерывном и прерывистом ре-
жимах;
5
Введение
— синусоидальных сигналов в непрерывном и прерывистом ре-
жимах, в режиме суммы из двух сигналов для измерения интермодуляционных искажений, в режиме управляемого напряжением генератора и свип-генератора;
— импульсных сигналов пилообразной формы с установкой ча-
стоты и полярности; треугольной и прямоугольной формы с
выбором частоты и коэффициента заполнения; импульсной
последовательности с заданием ширины импульса и паузы;
— кодовой последовательности.
2. Измерители частоты сигналов, амплитуды, действующего
значения, интермодуляционных и нелинейных искажений, отношения сигнал/шум.
3. Двухканальный осциллограф.
4. Двухканальный спектроанализатор для измерения спектра и
спектрограмм (результаты измерения сопоставлялись с результатами моделирования в среде EWB).
5. Измерители комплексных коэффициентов передачи четырех-
полюсников (АЧХ и ФЧХ).
Во второй главе книги приведен краткий обзор малогабаритных
химических источников питания (гальванических (сухих) элементов и аккумуляторов), рассмотрены методы заряда аккумуляторов
и модель никель-кадмиевого аккумулятора, приведены практические схемы для заряда и восстановления никель-кадмиевых и никель-металлгидридных аккумуляторов.
В третьей главе книги приведены результаты разработки систе-
мы охранной сигнализации на базе акустических датчиков разрушения оконного стекла оригинальной конструкции (с моделированием в EWB), пассивных инфракрасных датчиков движения
промышленного изготовления и магнитного датчика на входной
двери. Разработаны алгоритмы подавления помех от животных с
аппаратной реализацией и моделированием ее элементов в EWB.
Рассмотрены возможности сопряжения системы с устройствами
оповещения и дистанционного управления на базе телефонного
аппарата «Русь-28 СОНАТА» и промышленной системы контроля
и управления СТРАЖ SMS 3×5 GPS.
Замечания, пожелания и предложения направляйте по адресу:
123242, Москва, а/я 20, изд-во «СОЛОН-ПРЕСС»; электронная
почта: Solon-r@coba.ru; факс: (095) 252-7203; телефон: (095)
254-44-10, а также непосредственно автору по электронной почте:
wkarl@rambler.ru.
6
1. Инструментальные средства на базе
аудио карты IBM PC
Основой рассматриваемых ниже программ, размещенных на
сайте CityRadio.ru в разделе «Утилиты» и рассчитанных на применение стандартных аудио карт, является в основном спектральный
анализ периодических несинусоидальных сигналов x(t) с периодом
Т путем их разложения в ряд Фурье, который может быть представлен в следующих формах [1—3]:
1. Классическая синусно-косинусная (вещественное представле-
íèå):
∞
a
T
ãäå
2
a
=
k
T
−
åíòû ðÿäà; a
xt
() [ cos( ) sin( )]=+ +
2
xt k tdt
()cos( )ω
∫
T
2
0
0
2
aktbkt
kk
∑
k
1
=
,
b
1
— постоянная составляющая; ω1=2π/Ò — угловая
ωω
11
T
2
2
=
k
xt k tdt
()sin( )ω
∫
T
T
2
−
частота первой (основной) гармоники; k — номер гармоники.
В частности, для прямоугольного колебания амплитудой U
симметричного относительно оси координат (a
x(t)=(4Um/π)[sinωt + (1/3)sin3ωt + (1/5)sin5ωt + (1/7)sin7ωt + ...],(1.2)
откуда видно, что оно состоит из нечетных гармоник с соотношением амплитуд U
: U3m: U5m: U7m... = 1 : 1/3 : 1/5 : 1/7..., являю-
1m
щимся основным информативным критерием для оценки исследуемого колебания; наличие же синусоидальных и косинусоидальных функций в (1.1) становится как бы непонятным и излишним.
2. Амплитудно-фазовая; в этом случае (1.1) записывается в виде:
∞
a
xt
() cos( )=+ +
0
2
Ak
k
∑
k
1
−
πωτ ϕ
, (1.1)
— коэффици-
1
= ak=0)
0
κ
m
(1.3)
,
или после разложения косинуса
∞
a
xt
( ) [ cos cos( ) sin sin( )]=+ −
0
2
AktAkt
∑
k
1
−
ϕω ϕω
kk kk
Из сравнения (1.3) с (1.1) видно, что:
aA
= cos ϕ;bA
kk k
11
=− sin ϕ
kkk
,
.
7
1. Инструментальные средства на базе аудио карты IBM PC
откуда следует:
22
Aab
=+
kkk
;
ϕ
=−
k
⎜
a
⎝
b
⎛
arctg
⎞
k
=−
⎟
⎠
k
arctg
b
⎛
⎞
k
.
⎜
⎟
a
⎝
⎠
k
3. Комплексная; используя формулу Эйлера
jx
cos x =(e
+ e
–jx
)/2,
из (1.3) получаем для этого случая:
∞
aA
xt
()=+ + =
C
−
0
∑∑
22
k
1
−
A
jk
ϕ
k
e
==−= −
k
222
2
T
1
j
x
(
tktdtTxte dt
)sin( ) ( )ω
∫∫
T
2
T
−
kt kt
+−+
ωϕ ωϕ ω
k
[]
a
kk
kk
11 1
ee Ce
T
b
j
=
1
2
1
xt k tdt
∫
T
−
T
2
2
T
1
2
T
−
∞
kt
; (1.4)
k
k
=−∞
ω()cos( )
1
ω
jk t
−
1
С учетом дуальности времени и частоты (последняя обратно
пропорциональна периоду и, следовательно, времени) различают
следующие преобразования Фурье, определяющие спектр сигнала
и его зависимость от времени:
1. Непрерывное:
() ( )=
∞
ωω
∫
−∞
jt
ω
. (1.5)
∞
() ()ωω=
Xxtedt
∫
−∞
jt
−
;
xt X e d
Если с учетом соотношения ω
∞
ω
1
∑
2
π
k
=−∞
эти соотношения превращаются в так называемую
0→
òî ïðè
xt TC e
()=
ω
1
jk t
k
=2π/Т (1.4) представить в виде:
1
T
2
ω
1
;
TC x t e dt
ω
1
=
k
∫
π
2
−
T
−
ω
jk t
()
2
1
,
пару непрерывных преобразований Фурье (1.5), поэтому связь
между коэффициентами Фурье и спектром будет определяться
формулой:
= ()ω
TC X
kk
èëè
112
C
Xk
==
k
()ω
T
1
T
k
π
⎞
⎛
X
.
⎟
⎜
⎠
⎝
T
2. Дискретно-непрерывное (с дискретизацией спектра по времени)
8
Δ
π
t
xnt X e d
() ()Δ
1
=
2π
p
∫
Δ
−
π
t
Δ
ω
jnt
ωω
;
() ( )ωω=
Xtxnte
p
∞
ΔΔ
∑
n
=−∞
−
jnt
Δ
. (1.6)
3. Дискретное (с дискретизацией спектра по времени и частоте):
2
N
−
1
Xk xne
() ()=
Dp
∑
n
=
0
−
π
jNkn
N
−
1
() ()=
1
N
Xke
∑
n
=
0
;
xn
pD
2
π
jNkn
, (1.7)
ãäå N = T/Δt =1/ΔfΔt = f
/Δf — число выборок за период; fD—÷à-
D
стота дискретизации.
4. Быстрое преобразование Фурье (ÁÏÔ èëè FFT (Fast Fourier
Transform)). Для этого случая дискретное преобразование Фурье
(ДПФ) (1.7) целесообразно представить в виде:
N
−
⎧
AXWkKN
⎪
⎨
⎪
X
nk
⎪
⎩
ãäå W = exp(–2πj/N); A
1
==−
kn
∑
n
=
0
N
1
==
∑
N
k
k
kn
,,,
−
1
−
kn
AW n K
=
0
,,,
01
0 N −
1
— коэффициенты ДПФ; Xn— отсчеты
(1.8)
сигнала.
Для вычисления одного элемента последовательности A
2
гласно (1.8) необходимо выполнить примерно N
операций умно-
ñî-
k
жения и сложения комплексных величин. БПФ обладает тем преимуществом, что количество таких операций удается уменьшить
до N⋅log
N, причем с ростом N и, следовательно, увеличением точ-
2
ности воспроизведения спектра преимущества алгоритма БПФ
быстро возрастают при обработке массивов большой размерности.
Еще более заметен выигрыш БПФ при вычислениях двумерных
массивов чисел, например, при обработке изображений. В этом
2
случае требуется N
⋅log2N операций против N4при простых вычис-
лениях ДПФ.
Реализация преимуществ БПФ достигается различными способами. Наиболее известными являются две модификации алгоритма БПФ: с прореживанием по времени и с прореживанием по частоте. Как показано в работе [1], в обоих случаях путем обработки
четных и нечетных отсчетов составляющих формулы (1.8) достигается уменьшение количества вычислительных операций äî
2
⋅log2N значений.
N
9
1. Инструментальные средства на базе аудио карты IBM PC
1.1. Входное устройство для аудио карты
Входное устройство предназначено для защиты аудио карты от
повреждения при перегрузках по входу и выходу. Оно выполнено
на счетверенном операционном усилителе К1404УД2 (см. рис. 1.1,
à), питание которого производится по ленточному кабелю от источников +5Ви–5ВПКчерез LC-фильтры (Др1-С1 и Др2-С2).
Внешний измерительный вход (ВхИ) левого (Л) и правого (П) каналов (например двухканального осциллографа) ползунковым переключателем П1в и П1г в левом рабочем (Р) положении подключаются ленточным кабелем к соответствующим линейным входам
аудио карты (ВхАК) через инвертирующие усилители на ОУ1.3 и
ОУ1.4 с коэффициентом передачи 1 каждый и амплитудными ограничителями по входному дифференциальному сигналу на диодах
Д1—Д4. Среднее положение 0 переключателей П1соответствует разомкнутому состоянию входы/выходы аудио карты (например, для
независимой настройки ее параметров); их правое положение К
(Контроль) соответствует режиму контроля работы и калибровки
АК, при котором входы усилителей на ОУ1.3 и ОУ1.4 подключаются к соответствующим выходам (левый к левому, правый к правому) инвертирующих усилителей мощности на ОУ1.1 и ОУ1.2 с
эмиттерными повторителями на транзисторах Т1, Т2 и ограничительными резисторами R9, R10 на их выходах. Поскольку эмиттерные повторители включены в цепь отрицательной обратной связи
ОУ, то искажения типа «ступенька» достаточно малы и не оказывают существенного влияния на линейность усилителей в целом при
коэффициенте усиления около двух. Входы усилителей подключаются ленточным кабелем к выходам аудио карты (ВыхАК), а их
выходы через П1а и П1б — к внешним измерительным выходам
ВыхИ, используемым в основном в качестве выходов сигнал-генератора, имитируемого аудио картой (см. разд. 1.3).
Конструктивно устройство выполнено на монтажной печатной
плате размером 50×70 ìì (ñì. ôîòî íà ðèñ. 1.1, â) и соединяется с
ПК ленточным кабелем (справа). Измерительные входы/выходы
расположены слева: верхние две клеммы — выходы, средние
две — общая шина (0, земля), нижние две — входы. Расположенный справа движковый переключатель — типа ПД13-1.
Схема включения испытуемых устройств ПК и ЛК в общем
(идеальном) случае показана на рис. 1.1, á, откуда видно, что они
включаются между входами и выходами соответствующих каналов.
10
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]