Цифровой синтез сигналов в системе LabView

Синтез сигналов до относительно недавнего времени был основан на применениирешений из аналоговой схемотехники, однако с ростом требований к параметрамсигналов, к возможностям настройки характеристик сигналов в широком спектреамплитуд и частот и т. д. разработчики стали использовать методы цифровой техники.

Цифровые методы обработки и синтеза сигналов в настоящее время используются практически во всех отраслях электронной промышленности и бытовой техники (мобильные телефоны, цифровое телевидение, компьютеры и т. д.).

Генераторы и синтезаторы частот, модуляторы и преобразователи сигналовпроизвольной формы используются повсеместно в системах радио- и мобильнойсвязи, в беспроводных системах управления и контроля в науке и промышленности. Система LabVIEW включает широкий набор аппаратно-программныхсредств для цифрового синтеза сигналов.

Для синтеза сигналов в системе LabVIEW можно использовать обширный математический аппарат, с помощью которого можно создать (сгенерировать) практически любую форму сигнала, включая модули NI DAQ, имеющие цифроаналоговый преобразователь (ЦАП). С помощью виртуальных инструментов можнополучить практически любую форму сигнала, а затем синтезировать такой сигнал физически в цифроаналоговом преобразователе. Средства цифрового синтезасигналов, доступные в LabVIEW, можно успешно использовать для линейного инелинейного преобразования сигналов [17].

Синтез сигналов с широтно-импульсной модуляцией

Этот тип сигналов очень широко используется в системах управления приводами, ПИД-регуляторах, импульсных источниках питания и как недорогой программно-управляемый источник напряжения.С помощью системы LabVIEW ШИМ-модулятор можно реализовать программным методом, используя функциональные элементы и цифроаналоговый преобразователь.

Для реализации ШИМ-модулятора используются два сигнала: сигнал несущей треугольной формы с пиковым значением амплитуды 3 В и частотой2000 Гц и сигнал управления синусоидальной формы с пиковым значением амплитуды 5 В и переменной частотой от 50 до 250 Гц. Панель интерфейса пользователя нашего ШИМ-модулятора показана на рис. 2.7.

Рисунок 2.7 - Панель интерфейса пользователя ШИМ-модулятора.

На этой панели компонент WaveformGraph («Controlsignal») используетсядля отображения сигнала несущей треугольной формы и управляющего сигнала синусоидальной формы. Графический индикатор WaveformGraph(«PWMsignal») будет отображать результирующий ШИМ-сигнал.Круговой регулятор «ControlAmplitude, V» используется для задания амплитуды управляющего синусоидального напряжения, а цифровой регулятор «ControlFrequency, Hz» позволяет задавать частоту управляющего сигнала в требуемомдиапазоне.

На рисунке 2.8показана блок-схема нашего виртуального инструмента.

Здесь управляющий синусоидальный сигнал генерируется с помощью элемента SimulateSignal, а его параметры (амплитуда и частота) задаются с помощьюдвух регуляторов. Сигнал несущей треугольной формы формируется в элементеSimulateSignal 2, параметры которого задаются на странице свойств (рисунок 2.9).

Рисунок 2.8 - Блок-схема виртуального прибора.

Рисунок 2.9 - Страница свойств SimulateSignal 2.

Здесь для параметра Signaltype нужно выбрать значение Triangle, параметрFrequency(Hz) установить равным 2000 и параметр Amplitude взять равным 3.Кроме того, и это очень существенно, для неискаженного воспроизведения сигнала выберем частоту дискретизации равной 100 000 выборок/с. Точно такая жечастота дискретизации должна быть выбрана и для синусоидального управляющего сигнала.

Теперь рассмотрим ключевой вопрос нашего примера: как реализовать ШИМ,используя функциональные элементы LabVIEW. Для этого вначале представимпроцесс генерации широтно-импульсного сигнала в более простой форме, используя известное схемотехническое решение, показанное на рис. 2.10.

Рисунок 2.10 - Схематичное представление генерации ШИМ.

Подобную схему в LabVIEW можно реализовать, используя компонент Subtract (категория Functions⇒Express⇒Arithmetic&Comparison⇒ExpressNumeric),компонентGreater?(категория Functions ⇒ Express ⇒ Arithmetic & Comparison ⇒ Express Comparison) икомпонент And (категория Functions ⇒ Express ⇒ Arithmetic & Comparison ⇒ Express Boolean).

Сформированный ШИМ-сигнал выводится в канал 0 цифроаналогового преобразователя (Dev1/ao0), для чего используется компонент DAQ Assistant. Страница свойств этого компонента показана на рисунке 2.11.

Рисунок 2.11 - Страница свойств компонента DAQAssistant.

Здесь аналоговый выход Dev1/ao0 включается по однопроводной схеме (параметруTerminalConfigurationприсваивается значениеRSE). Цифроаналоговый преобразователь работает с частотой дискретизации 100 000 выборок/с, что обеспечивает высокую точность преобразования.

Окно работающего виртуального инструмента показано на рис. 2.12.

Рисунок 2.12 - Окно работающего виртуального прибора.

Из этого рисунка видно, что при превышении амплитуды синусоиды над амплитудой несущей формируется положительный перепад напряжения, а при спаде напряжения управляющего сигнала ниже амплитуды несущей выходное напряжение ШИМ становится равным 0. В данном случае частота управляющего напряжения равна 100 Гц, а пиковое значение амплитуды равно 4,5 В [17].