Как превратить компьютер в измерительный комплекс

Вопрос 4. Виртуальные измерительные приборы

Одним из наиболее перспективных направлений в развитии компьютер­но-измерительных систем является применение виртуальных приборов.

Виртуальный прибор состоит из современного быстродействующего персонального компьютера, наличие которого — необходимое условие вы­сококачественных и точных измерений, и одной-двух плат сбора данных(ПСД). Плата устанавливается в персональный компьютер (обычно в слот ISA или PSI) или внешнее дополнительное устройство, подключаемое через LPT или USB порт в комплексе с соответствующим программным обеспечением (рисунок 5).

Важную роль в создании виртуальных приборов играет разработка платы сбора данных с необходимыми метрологическими характеристика­ми для данной измерительной задачи, такими, как разрядность АЦП, быстродействие и динамические погрешности аналого-цифрового канала. При этом необходимо использование быстрых и эффективных алгоритмов обработки измеряемой информации, разработка удобной программы сбора и отображения данных под наиболее распространенные компьютерные операционные системы Windows и других видов.

Рисунок 5 – Внешний вид виртуального измерительного прибора

Пользователь виртуального прибора включает объект графической па­нели с помощью клавиатуры, «мыши» или специализированной прикладной программы. Виртуальные измерительные приборы сочетают большие вычислительные и графические возможности персонального компьютера с высокой точностью и быстродействием аналого-цифровых преобразовате­лей и цифроаналоговых преобразователей, применяемых в ПСД. По суще­ству виртуальные приборы (как и практически все типы КИС) выполняют анализ амплитудных, частотных, временных характеристик различных ра­диоэлектронных цепей и измеряют параметры сигналов с точностью приме­ненных АЦП и ЦАП, а также формируют сигналы, как для процесса измере­ний, так и для автоматизации измерительных систем.

Программная часть виртуального прибора может эмулировать (создать) на экране дисплея компьютера виртуальную переднюю управ­ляющую панель стационарного измерительного прибора. Сама панель с виртуальными кнопками, ручками и переключателями, сформированная на экране дисплея, становится панелью управления виртуального при­бора. В отличие от реальной панели управления стационарного измери­тельного прибора, такая виртуальная панель может быть многократно перестроена в процессе работы для адаптации к конкретным условиям эксперимента. В зависимости от используемой платы и программного обеспечения пользователь получает измерительный прибор под ту или иную метрологическую задачу.

В качестве примера рассмотрим виртуальный цифровой запоминаю­щий осциллограф ЦЗО-01, реализованный на специализированной плате сбора данных и персональном компьютере в московском ЗАО «Руднев-Шиляев»; Центр АЦП. Внешний вид программного интерфейса (вирту­альной графической измерительной панели) цифрового виртуального осциллографа представлен на рис. 6.

Рисунок 6 — Внешний вид программного интерфейса (вирту­альной графической измерительной панели) цифрового виртуального осциллографа

Виртуальный цифровой запоминающий осциллограф типа ЦЗО-01 предназначен для наблюдения, регистрации, долговременного хранения, анализа и измерения амплитудных и временных параметров различных видов одиночных (импульсных), периодических и случайных процессов.

Программный пакет «осциллограф», заложенный в память персонально­го компьютера или внешнюю память, осуществляет обмен данными с пла­той сбора данных по готовности прибора к обработке. После выдачи плате специальной команды на сбор данных программа ожидает от нее сообщения об окончании процедуры заполнения буферной памяти, встроенной в ПСД. Затем анализируемые сигналы поступают в осциллограф (компьютер), их обработка и исследование полностью передается процессору.

Работа с программными файлами позволяет с помощью компьютера документировать исследуемые (измеряемые) процессы, сравнивать сиг­налы с эталонными и отображать сигналы, созданные пользователем в его программах.

Упрощенно принцип действия платы сбора данных описывается сле­дующим образом. Процесс сбора данных можно условно разделить на два этапа: запись оцифрованных сигналов во внутреннюю буферную память ПСД (соответствует обратному ходу луча реального осциллографа) и передача данных в виртуальный осциллограф, их обработка и вывод на экран (соответствует прямому ходу луча реального осцилло­графа). Не трудно понять, что режим «прямого хода луча» (интервал обновления изображения на экране) будет зависеть от объема памяти записывающего буфера ПСД, быстродействия процессора и ОЗУ ком­пьютера и числа каналов осциллографа.

Несмотря на то, что исследуемые сигналы являются аналоговыми, изображение на виртуальном экране (дисплее компьютера) осциллогра­фа формируется после аналого-цифрового преобразования и поэтому является дискретным. Виртуальные кнопки, ручки, переключатели и другие элементы графического интерфейса практически не отличаются от реальных. Единственное и главное их отличие заключается в измене­нии положения ручек и переключателей, которое осуществляется с по­мощью «мыши» (или клавиатуры), а не рукой, как у реальных измери­тельных приборов.

Основные преимущества виртуальных цифровых запоминающих осциллографов:

— яркий, хорошо сфокусированный экран на любой скорости развертки;

— резко очерченные контуры изображения;

— высокая точность измерений параметров сигналов или цепей;

— широкая полоса пропускания;

— возможность запоминания эпюры сигнала на произвольное время;

— автоматическое измерение параметров сигналов;

— возможность статистической обработки результатов измерения;

— возможность подключения принтера и плоттера для создания отчета о результатах измерений;

— возможность сравнения текущих данных с образцовыми или пред­варительно записанными;

— наличие средств самокалибровки и самодиагностики; .

— возможность исследования переходных процессов, протекающих в электрических цепях;

— упрощенная архивация результатов измерений.

В данном осциллографе возможна его синхронизация по комбинации сигналов от нескольких генераторов.

Таким образом, широкие вычислительные возможности виртуальных приборов позволяют реализовать программными методами многие спо­собы повышения точности измерений, эффективности и быстродействия. Например, если полученная при измерениях гистограмма распределения физической величины, наблюдаемая экспериментатором на дисплее компьютера, имеет выпавшие результаты и сглаженную форму, то мож­но предположить существование выбросов и наличие дрейфа измеряе­мой величины или погрешности. Для устранения выбросов можно ис­пользовать одну из статических программ. Очень часто вычислительные методы позволяют сократить время измерений, если вид математической модели исследуемого процесса задан.

Виртуальные приборы имеют большое преимущество перед микро­процессорными измерительными приборами, поскольку пользователь получает доступ к обширным объемам прикладных программ, может использовать внешнюю память большой емкости и различные устройст­ва документирования результатов измерений. Сочетание платы сбора данных, измерительного устройства и персонального компьютера пред­ставляет человеку новые возможности, недостижимые автономными из­мерительными приборами. Теперь для проведения эксперимента и изме­рений необходимо только наличие компьютера, а все остальные про­граммно-аппаратные средства подбираются исходя из технических тре­бований самого проводимого эксперимента.

К преимуществам виртуальных приборов следует отнести также их экономическую эффективность — практически любая плата сбора дан­ных и компьютерные программы обработки измерительной информа­ции намного дешевле измерительного прибора.

Совершенно очевидно, что многие метрологические, измерительные и исследовательские задачи в XXI в. будут решаться с помощью виртуальных приборов.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Дайте определение автоматизации измерений и охарактеризуйте её цели.

2. Охарактеризуйте основные задачи автоматизации измерений.

3. Охарактеризуйте полную и частичную автоматизацию измерений. Достоинства автоматизации измерений.

4. Приведите типовую схему автоматизированных измерений и поясните порядок их осуществления.

5. Дайте характеристику автоматизированных средств измерений: автономных непрограммируемых приборов и гибких измерительных систем.

6. Дайте определение процесса контроля объекта измерений, сущности контроля, системы автоматического контроля.

7. Приведите обобщенную структурную схему системы автоматического контроля и поясните назначение её основных подсистем.

8. Охарактеризуйте компьютерно-измерительные системы (КИС), и виртуальные измерительные приборы. Отличительные особенности и преимущества компьютерно-измерительных систем по сравнению с микропроцессорными приборами.

9. Приведите обобщенную структурную схему компьютерно-измерительной системы и поясните принцип её работы.

10. Приведите понятие, состав и основные достоинства виртуальных измерительных приборов. Назначение плат сбора данных виртуальных измерительных приборов.

Основные научные достижения Средневековья: Ситуация в средневековой науке стала меняться к лучшему с.

Примеры решений задач по астрономии: Фокусное расстояние объектива телескопа составляет 900 мм, а фокусное .

Как превратить компьютер в измерительный комплекс

Современный компьютер, обладая многими полезными свойствами, является универсальным устройством для хранения и обработки разного рода информации. Кроме бытового применения, компьютер может быть без особого труда превращен в настоящий научно-измерительный комплекс, позволяющий исследовать различные физические процессы. Способность компьютера к программированию выгодно отличает такой виртуальный комплекс от любого обычного измерительного прибора.

• Как превратить компьютер в измерительный комплекс
• Как сделать частотомер
• Что такое кегль

• — персональный компьютер;
• — аналого-цифровой преобразователь;
• — программное обеспечение;
• — измерительные датчики.

Установите основные элементы будущего измерительного комплекса: IBM-совместимый компьютер, включающий процессор, монитор и устройства ввода-вывода информации (клавиатуру, «мышь», сканер, принтер, модем и так далее).

Предусмотрите наличие в системе аналого-цифрового преобразователя (АЦП). Дело в том, что измерение большинства физических параметров (давление, температура и т.д.) предполагает оценку аналоговых исходных величин, в то время как компьютер ведет обработку дискретных данных. Преобразователь подключите через последовательный или параллельный порт компьютера. Если АЦП выполнен в виде платы расширения, он может подключаться непосредственно через шину.

Подготовьте программное обеспечение, руководствуясь предполагаемой областью применения измерительного комплекса. Используйте лицензионные профессиональные программы контроля параметров и обработки данных, поскольку от качества программного обеспечения будет напрямую зависеть точность измеряемых характеристик объекта исследования.

Кроме обычных программ сбора данных используйте при конструировании измерительного комплекса приложения в виде систем отображения графической информации и построения диаграмм, а также электронные таблицы.

Подберите и подключите к системе через аналого-цифровой преобразователь датчики, которые вы станете использовать для снятия первичных данных с объекта наблюдения или исследования. В зависимости от направленности измерений это могут быть датчики давления, температуры, влажности, электрического напряжения и так далее. Количество таких устройств и их тип определите, исходя из целей исследования.

Перед использованием вашего виртуального измерительного комплекса произведите его отладку и регулировку, руководствуясь технической документацией к датчикам и допустимыми уровнями погрешности измерения. Проверку и калибровку измерительной части системы проводите настолько часто, насколько это требуется по условиям эксплуатации обычных измерительных инструментов данного типа.

ПО для проведения измерений

Профессиональное программное обеспечение, превращающее персональный компьютер в целый набор измерительных инструментов, работающих в реальном времени. Программа бесплатная.

Мощный и эффективный анализатор звуков с возможностями измерения целого ряда значений и обладающий встроенным генератором сигналов. Программа платная. Есть trial-версия с 30-дневным ограничением.

Программа представляет собой Open Source амплитудно-частотный звуковой анализатор, действующий в режиме реального времени.

Профессиональное программное обеспечение для проведения аудио измерений и анализа акустических и электрических параметров систем. Программа условно-бесплатная.

Измерительный комплекс, предназначенный для определения индуктивностей катушек и емкостей конденсаторов. Freeware

Небольшая бесплатная утилита, предназначенная для обработки и декодирования сигналов, полученных от инфракрасных (IR-Remotes) или радиочастотных (RF-Remotes) источников в режиме реального времени. OpenSource.

Продвинутое программное обеспечение для анализа и генерации аудиосигналов на базе звуковых карт персональных компьютеров. Программа платная от 29$. Есть ознакомительная версия

Приложение, созданное с целью проведения расширенного спектрального анализа звуковых сигналов. Программа платная — 20 евро. Есть демоверсия с 30-дневным ограничением

Программное обеспечение для измерения амплитудно-частотных характеристик звуковых систем. Программа платная.

1999-2022 Сайт-ПАЯЛЬНИК ‘cxem.net’
При использовании материалов сайта, обязательна
ссылка на сайт ПАЯЛЬНИК и первоисточник

Проектирование студенческого измерительного комплекса на базе ПК

В данной статье рассмотрена возможность разработки измерительного прибора на базе персонального компьютера для применения его в учебном процессе, что позволит использовать современные методы исследования и сочетать теоретическое изучение явлений с вычислительным экспериментом.

Современные технологии производства предполагают использование всевозможного электронного оборудования, что обуславливает наличие различных контрольно-измерительных приборов. Роль измерительных приборов в технологической цепочке любого производства трудно переоценить, одной из основных функций которых является подача сигнала о параметрах происходящих технологических процессов.

Современный этап развития измерительных приборов характеризуется унификацией любых видов измерений. Изготовители датчиков конструируют их таким образом, чтобы любая измеряемая величина, например температура или давление, на его выходе преобразовывалось в электрический сигнал. В итоге любое измерение может сводиться к измерению параметров этого сигнала, преобразованию его в цифровой вид, который можно хранить бесконечно долго, накапливать его, производить над ним цифровую обработку, анализировать, производить косвенные измерения и визуализировать.

Намечается тенденция создания комплексных измерительных приборов. Располагаясь на одном печатном плато, такие приборы могут выполнять различные функции: от измерения до генерации тестового сигнала. Наиболее распространенным измерительным прибором такого типа является осциллограф. Такой осциллограф не только отображает исследуемый сигнал, но и способен производить его анализ, рассчитывать спектр, сохранять результат измерения в удобной для дальнейшей обработки форме [1].

При комплектации лабораторий по электротехническим дисциплинам необходимо приобретение измерительного оборудования. Выпускаемые промышленностью приборы, как правило, обладают избыточной функциональностью, что неизбежно влияет на их стоимость. Поэтому широкое распространение получают такие приборы, как цифровые вольтметры и осциллографы, построенные на базе персонального компьютера.

Применение информационных технологий на занятиях существенно расширяет возможности преподавателя, позволяя ему использовать современные методы исследования и сочетать теоретическое изучение явлений с натурным и вычислительным экспериментом.

Использование персонального компьютера в учебном процессе в качестве осциллографа имеет ряд преимуществ:

• ПК многофункциональны, распространены и доступны, в то время как современный средний осциллограф имеет высокую стоимость и решает сравнительно узкий класс задач;
• ПК имеет большой экран, что позволяет демонстрировать осциллограммы аудитории;
• оцифрованный сигнал можно записать в графический файл и затем его обработать;
• учащиеся учатся программировать, понимают сущность оцифровки аналогового сигнала.

Любой IBM-совместимый персональный компьютер (ПК), даже несколько лет провалявшийся в глубине шкафа за ненадобностью, может превратиться в измерительный комплекс, если его снабдить одним или несколькими аналоговыми входами. Его клавиатура и экран предоставляют существенно большие возможности, по сравнению с теми, которые могут дать мультиметр или осциллограф, а дисковод и принтер прекрасно подходят для регистрации любых длительных процессов. Кроме того, вычислительная мощность ПК позволяет подвергать собранные с его помощью информационные данные любой сложной обработке.

Предлагаемые промышленностью специализированные платы расширения к персональным компьютерам, позволяющие преобразовать его в измерительный электронный прибор и производить спектральный анализ, к сожалению, имеют высокую стоимость. Поэтому актуальным является разработка цифрового осциллографа-приставки, способного взаимодействовать с персональным компьютером (ПК). Разрабатываемый осциллограф-приставка будет представлять собой законченный измерительный программно-аппаратный комплекс, предназначенный для измерения и визуализации электрического сигнала, а также расчета и отображения спектра измеряемого сигнала [2].

Примерная структурная схема измерительного устройства на основе микроконтроллера и ЭВМ показана на рисунке 1.

Рисунок 1 – Структурная схема измерительного устройства

Основным элементом, определяющим прецизионность всего измерительного устройства, является аналогово-цифровой преобразователь (АЦП). Но если входная цепь (ВЦ) и фильтр низких частот (ФНЧ) не будут ослаблять шумы вне полосы пропускания сигнала, то эффекта от высокой точности АЦП не будет.

Входная цепь является развязывающим устройством источника сигнала и АЦП. Она должна иметь большое входное сопротивление, обеспечивать подавление синфазного сигнала шума (сигнала общей помехи).

ФНЧ устраняет эффект наложения спектров и нежелательные сигналы вне полосы пропускания фильтра. Этот фильтр работает еще с аналоговым сигналом, сам фильтр будет является аналоговым.

АЦП в этой системе будет входить в состав микроконтроллера, частота дискретизации и режим работы будут устанавливаться программой, загруженной в микроконтроллер. Программное обеспечение микропроцессора обеспечивает работу протокола обмена данными с ЭВМ, протокол отвечает за отправку полученных отсчетов в ЭВМ и получение команд от пользовательской программы, установленной на компьютер. ЭВМ может быть как персональным компьютером (ПК), так и портативным компьютером ноутбуком. На ЭВМ будет установлена программа, которая будет работать с полученными отсчетами от АЦП, обрабатывать их и представлять пользователя в удобном для восприятия виде. Таким образом, ЭВМ также играет роль визуального индикатора.

Говоря о дискретизации низкочастотного сигнала, подразумевают, что подлежащий дискретизации сигнал лежит в первой зоне Найквиста (см. рисунок 2). Важно обратить внимание на то, что без фильтрации на входе идеального дискретизатора любой частотный компонент (сигнал или шум), который находится за пределами «полосы Найквиста», в любой зоне Найквиста будет создавать НЧ-составляющую в первой зоне Найквиста. По этой причине ФНЧ используется почти со всеми АЦП для подавления нежелательных сигналов.

По теореме Котельникова, частота дискретизации (fД) сигнала должна быть равна или быть больше частоты в 2 раза большей верхней частоты сигнала (fВ). Любой сигнал имеет бесконечный спектр. Поэтому фильтрация сигнала необходима.

Очень важно правильно предъявлять требования к характеристикам аналогового фильтра, ограничивающего спектр сигнала на входе АЦП. У фильтра есть полоса пропускания и непропускания. Реализовать фильтр следует таким образом, чтобы амплитудные и фазовые искажения в полосе пропускания были минимальны, и на частоте (fД — fВ ) обеспечивалось ослабление таким образом, чтобы сигнал помех имел значение менее шума квантования АЦП.

При разработке ФНЧ отталкиваются от того, какое ослабление требуется на частоте fД — fВ и какие параметры фазового и амплитудного искажения будут допустимыми. Спектр дискретизированного сигнала без ФНЧ представлен на рисунке 2.

Рисунок 2 – Спектр дискретизированного сигнала без ФНЧ

Требуемое затухание аналогового фильтра в полосе задерживания определяется динамическим диапазоном полезного сигнала ДД. Динамический диапазон цифрового устройства выбирается исходя из заданной точности представления сигнала. При этом нижняя граница динамического диапазона ДД будет определяться уровнем всех помех, попадающих в полосу частот полезного сигнала.

Разные типы фильтров дают разную крутизну спада и частотные характеристики. Например, фильтр Баттерворта дает ослабление 6 дБ на октаву для каждого порядка. Для достижения ослабления 60 дБ в диапазоне от 1 МГц до 2 МГц (1 октава) требуется как минимум фильтр 10-го порядка – это нетривиальный фильтр, весьма трудный в разработке. Поэтому для высокоскоростных приложений, требующих более высокой крутизны спада и меньшей неравномерности в рабочей полосе при линейной фазовой характеристике, больше подходят фильтры других типов.

Шум квантования SNR (в дБ) в N-разрядном АЦП находится по следующей формуле:

Еще одно важное требование к ФНЧ – линейность фазочастотной характеристики (ФЧХ) в полосе пропускания или постоянное время групповой задержки сигнала. Неравномерность амплитудной характеристики может быть в дальнейшем скомпенсирована цифровой фильтрацией.

Таким образом, проанализирована возможность создания измерительного прибора на базе персонального компьютера.