Векторлық сигнал анализаторлары

Жұмыс түрі: Материал
Тегін: Антиплагиат
Көлемі: 47 бет
Таңдаулыға:

МАЗМҰНЫ

Кіріспе 3
1 Талдағыштардың құрылымдық сұлбалары 6
1.1 Жүйелі әрекет спектрінің анализаторлары 6
1.1.1 Параллель әрекет спектрінің анализаторлары 10
1.1.2 Векторлық сигнал анализаторлары 12
1.2. Ализаторлардың негізгі xapaктеристикасы 14
1.3 Қолданыстағы бағдарламалық-техникалық құралдарға шолу 17
1.3.1 Aktakom Ack-2041 Осциллографы 17
1.3.2 DSA спектр Анализаторы 19
2 "Спектр Анализаторы" виртуалды құралы 22
2.1 Техникалық тапсырма 22
2.2 NI USB 6251 23
2.3 ВҚ іске асыру 27
2.3.1 Сигнал спектрін есептеудің негізгі алгоритмі 27
2.3.2 LabVIEW ортасында алгоритмді іске асыру 29
2.4 "Спектр талдағышы"ВК функционалы 31
2.4.1 Жиілік диапазонының міндеті 32
2.4.2 Гармониканы есептеу 33
2.4.3 Гармоника коэффициенттерін есептеу 35
3 Эксперименттік бөлім 37
3.1 Сынау 37
3.2 Техникалық сипаттамаларды анықтау 40
3.2.1 № 1 Эксперимент: жоғарғы шекті диапазонында талдау шешу анықтау 41
3.2.2 № 2 Эксперимент: мерзімді емес сигналдардың спектрін анықтау 44
3.2.3 № 3 Эксперимент: тікбұрышты импульстар тізбегінің спектрін анықтау 46
4 Әлеуметтік жауапкершілік 50
4.1 Қауіпсіздікті қамтамасыз етудің құқықтық және ұйымдастырушылық мәселелері 51
4.1.1 Еңбек заңнамасының нормалары 51
4.1.2 Жұмыс орнын құрастыру кезіндегі ұйымдастыру іс-шаралары 52
4.2 Электромагниттік сәулеленудің жоғары деңгейі 53
4.2.1 Психофизиологиялық факторлар 54
4.3 Қауіпті факторларды талдау 55
4.3.1 Экологиялық қауіпсіздік 56
4.3.2 Төтенше жағдайлардағы қауіпсіздік 57
4.4 Эпидемияның таралуын болдырмау 59
Қорытынды 60
Пайдаланылған әдебиеттер тізімі 61

Анықтамалар
өлшеу құралы: өлшеуге арналған техникалық құрал
спектр анализаторы: сигнал спектрін визуализациялау және талдау құрылғысы
мультиплексор: бірнеше сигнал кірісі, бір немесе одан да көп басқару кірісі және бір шығысы бар құрылғы
сүзгі: сигналдың жиілік компоненттерінің қалаған компоненттерін бөлуге арналған құрылғы
буфер: бағдарламалық жасақтама ұсынатын және ақпаратты жинауға, тасымалдауға немесе көшіруге арналған аралық деректер қоймасы
виртуалды құрылғы: LabVIEW ортасында жасалған бағдарламалық қосымша
виртуалды қосалқы құрал: LabVIEW ортасында жасалатын, негізгі қосымшаның функцияларының бір бөлігін іске асыруға арналған бағдарламалық қосымша
меандр: 2 ұңғымасы бар тікбұрышты импульстар тізбегі

Белгілер мен қысқартулар

КСТ - катодтық сәулелік түтік;
АЖС - амплитудалық-жиіліктік сипаттама;
ЖБ - жиілік белдеуі;
СТ - спектр талдағышы;
РЛС - радиолокациялық станция;
РЖ - радио жиілігі;
ЖЖС - жоғары жиілікті сәуле;
Бқ - бағдарламалық қамтамасыз ету;
ЖФТ - Жылдам Фурье түрлендіру;
ВҚ - виртуалды құрылғы;
АСТ - Аналогты-сандық түрлендіргіш;
ГБК - гармоникалық бұрмалану коэффициенті;
СБК - сызықтық емес бұрмалану коэффициенті;
ҒЗИ - ғылыми-зерттеу институты;
ЖОО - жоғары оқу орны;
ББЖ - бітіру біліктілік жұмысы;
ЭМӨ - электромагниттік өріс;
ТМӨ - тұрақты магнит өрісі;
ТЖ - төтенше жағдай;
DSA - Dynamic Signal Analyzer;
DAQ - Data Acquisition;
NI - National Instruments;
USB - Universal Serial Bus

Кіріспе

Тақырыптың өзектілігі: Кез-келген инженерлік тәжірибеде өлшемдер маңызды орын алады. Бұл электрлік және радионың сигнал параметрлерін өлшеуге де қатысты. Жалпы өлшеу міндеті-уақыт пен жиілік аймақтарындағы сигналды бақылау және талдау. Сигналдың уақытша компоненті осциллографтардың көмегімен талданады. Алайда, кейбір жағдайларда уақытша аймақта өлшеу қажетті сезімталдыққа ие емес. Сигналдың өзгеруі уақыт өте келе созылуы мүмкін және осциллограф экранында физикалық түрде анықталмайды. [1] сигналдың спектрлік формасы неғұрлым сезімтал. Жиілік аймағында өлшеу спектр анализаторларының көмегімен мүмкін болады.
Спектр анализаторы-жиілік диапазонында тербеліс энергиясының таралуын анықтайтын құрылғы. Спектр анализаторларын қолдану салалары кеңінен танымал. Оларға акустикадағы сигналдарды өңдеу, энергетикалық байланыс жүйелері, сондай-ақ тексеру, ақпаратты кодтау және т.б. жатады. Электрлік емес шамалардың түрлендіргіштерін электр сигналдарына қолдану медицина, ядролық энергетика және механика саласындағы спектр анализаторларын қолдануды кеңейтуге мүмкіндік береді.
Сигнал спектрі ұзақ уақыт бойы тек математикалық абстракция болды. ХІХ ғасырдың басында француз физигі және математигі Жан-Батист Фурье периодтық функцияны әр компонент үшін өзінің амплитудалық мәні бар тригонометриялық компоненттер жиынтығы ретінде ұсынуға болатындығын теориялық тұрғыдан дәлелдеді. Олардың шексіз мөлшерде жинақталуы бастапқы сигналды керемет қалпына келтіреді. [11] радиоэлектрониканың даму процесінде жоғары таңдаулы радиоқабылдағыштар гармоникалық компоненттерді өлшеуге мүмкіндік берді. Бұл принцип бойынша дәйекті әрекет спектрінің алғашқы анализаторлары құрылды. Бұл тәсіл өткізу жолағына негізделген қатаң шектеулерге ие болдықызығушылық жиілігін кесу үшін қолданылатын сүзгі.
Нақты зерттеуде жиілік бойынша ғана емес, талдаудың мүмкін уақыты бойынша да шектеулер бар. Осылайша, зерттеу барысында біз сигналдың қазіргі спектрін аламыз-уақыттың шектеулі шегі бар Фурье түрлендіруінің нәтижесі. Алынған функция жиілікке де, уақытқа да байланысты, бұл уақыт пен жиілік саласындағы зерттеулерді жақындатады. ТПУ-да спектр анализаторлары, атап айтқанда, әртүрлі пәндердің оқу процесінің зертханалық жұмыстарында қолданылады. Спектрді талдау үшін компьютерлік өлшеулерде LabVIEW виртуалды аспаптар жиынтығының немесе NI ELVIS бағдарламалық-аппараттық кешенінің стандартты пакетіне кіретін Бағдарламалық талдағыштар қолданылады. Екі шешім де айтарлықтай шектеулерге ие БПФ алгоритмдеріне негізделген. Стандартты виртуалды құрылғы тек спектр жасайды және талдау құралдары жоқ. Ni ELVIS кешенінің функционалдығы айтарлықтай шектеулі және нақты анализаторлардың мүмкіндіктеріне сәйкес келмейді. Осылайша, студенттерге қазіргі заманғы нақты құрылғылардың функционалдығы туралы толық түсінік беретін, сонымен қатар студенттерді сигналдың спектрлік компоненттерінің типтік үлгілерімен таныстыру үшін мерзімді және мерзімді емес сигналдардың спектрлерін дұрыс көрсететін спектр анализаторына қажеттілік бар.

1 Талдағыштардың құрылымдық сұлбалары
1.1 Жүйелі әрекет спектрінің анализаторлары

Дәстүрлі архитектурасы бар, бірнеше ондаған жыл бұрын инженерлерге жиілік аймағында алғаш рет өлшеулер жүргізуге мүмкіндік беретін дәйекті әрекет спектрінің супергеродиндік анализаторы. [6] алдымен аналогтық компоненттерде толығымен жасалған, бұл анализаторлар олар қолданылатын қосымшалардың талаптарына сәйкес дамыды. Қазіргі заманғы тербелмелі спектрлік анализаторлар ADC, сандық сигнал процессорлары және микропроцессорлар сияқты сандық компоненттерді қолданады алайда, бұл анализаторларда әлі де қолданылатын ысыру принципі тек бақылау үшін жақсы болжамды мінез-құлқы бар сигналдар. Мұндай анализатордың типтік құрылымдық схемасы 1.1 суретте көрсетілген.

Сурет 1.1 Спектрдің супергеродинді анализаторының құрылымдық схемасы

Тербелмелі гетеродиннің модуляциялық сипаттамасы, әдетте, уақыт өте келе сканерлеу генераторынан басқару кернеуінің әсерінен оның тербеліс жиілігі өзгеруі үшін сызықтық болады. [9] гетеродин of жиілігінің ауытқуы сигналдың барлық спектрін қамту үшін көру жолағын реттеу арқылы орнатылады.
Бұл жағдайда, 1.2-суретте көрсетілгендей, гетеродиннің жиілігі өзгерген сайын, спектрдің құрамдас бөліктері тар жолақты сүзгінің белгіленген жиілігіне қатысты қозғалады, уақыт өте келе мәндері өткізу қабілетін реттеу арқылы белгіленетін осы сүзгінің" kf " өткізу жолағына түседі. Детектордың кірісіне толтыру жиілігі Jph аралық жиілігіне тең және сигналдың спектрлік компонентіне пропорционалды амплитудасы бар сигналдар беріледі
F"(t,) -- f,(t, + f " жиілігінде. [9] анықтаудан және күшейтуден кейін CRT u-тақталарына бейне импульстар беріледі. Х-пластинаға реамер кернеуі қолданылады, ол гетеродиннің жиілік модуляциясындағы модуляциялық кернеу болып табылады.

5
2
7
#7
9
5
2
7
#7
9
Сурет 1.2 Жүйелі әрекет спектрінің анализаторы жұмысының уақыт диаграммасы

CRT экранында спектрдің құрамдас бөліктері тар жолақты сүзгінің ACHX пішінімен анықталған және биіктігі сигнал спектрінің осы бөлігінің спектрлік тығыздығының орташа мәніне пропорционалды болатын тік Жарық жолақтары түрінде байқалады.
Амплитуданың кең диапазонындағы сигналдарды бақылау үшін linloge қосқышы арқылы детектормен қатар логарифмдік күшейткіш қосылады. Бұл жағдайда CRT экранындағы спектрлік компоненттердің амплитудасы логарифмдік масштабта көрсетіледі.
Тербелмелі анализаторларда қуаттың жиілікке тәуелділігі зерттелетін сигналды жиіліктің төмендеуімен түрлендіру және оны ажыратымдылық жолағы деп аталатын PH сүзгісінің өткізу қабілеттілігі шегінде қайнату арқылы анықталады. [6] PH сүзгісінің артында орналасқан Детектор таңдалған жолақтың әр жиілігінің амплитудасын есептейді
Мұндай шешім кең динамикалық диапазонды қамтамасыз етеді, бірақ кемшілігі бар -- уақыттың әр сәтінде амплитуда тек бір жиілікте есептелуі мүмкін. Бұл тәсіл өлшенген сигнал толық қайнау кезінде іс жүзінде өзгеріссіз қалады деген болжамға негізделген. Сондықтан сенімді өлшеулерді салыстырмалы түрде тұрақты кіріс сигналдары үшін ғана алуға болады. Сигналдың күрт өзгеруімен осы өзгерістердің кейбірін өткізіп жіберуге болады 1.3-суретте көрсетілгендей, спектр анализаторы fa жиілік сегментін талдайды, ал спектрдің қысқа мерзімді өзгеруі FB сегментінде болады (сол жақтағы сурет) FB сегментіне жеткенде, бұл оқиға анықталмай тоқтайды (оң жақтағы сурет).

Сурет 1.3 Спектрді құру кезінде оқиғаны өткізіп жіберу.

Бірізді әрекет спектрінің анализаторлары сенімді бола алмайды мұндай құбылыстарды тіркеңіз, сондықтан оларды көптеген заманауи байланыс құралдарының RF сигналдарын зерттеу үшін қолданған кезде жоғары өнімділікке сенуге болмайды. [13] қысқа мерзімді сигналдарды жіберуден басқа, қазіргі заманғы радио және РЛС жүйелерінде қолданылатын импульстік сигналдардың спектрін дұрыс көрсетпеу мүмкіндігі бар. Тербелмелі анализаторлар импульстік сигналдың спектрін тек бірнеше рет бұралу арқылы алуға мүмкіндік береді. [4]
Бұл жағдайда бұралу жылдамдығы мен ажыратымдылық жолағын таңдауға ерекше назар аударылады.

1.1.1 Параллель әрекет спектрінің анализаторлары

Параллель әрекет спектрінің анализаторлары негізінен бір импульстік сигналдардың спектрлерін талдау үшін қолданылады. Сигнал спектрін параллель талдау кезінде F жолақ сүзгілері қолданылады, олардың әрқайсысы белгілі бір жиілікке реттеледі. Құрылымдық схема 1.4 (а) суретте көрсетілген.

Сурет 1.4 Параллель әрекет ету спектрін талдаушының құрылымдық схемасы (а), сигналдар мен АХЖ-сүзгілердің спектрлері (б-г)

Спектрі Off жиілік жолағында орналасқан зерттелетін u(t) сигналы барлық сүзгілерге бір мезгілде беріледі. Сүзгілерде бірдей off Өткізу жолағы бар АЖС бар және белгілі бір жиіліктерге реттелген (1.4-сурет (в)). Сүзгілердің шығысындағы сигналдар талданатын процесс спектрінің компоненттерімен анықталады (сурет 1.4 (г). Әрі қарай спектрлік компоненттер Д детекторларын анықтағаннан кейін тіркеу құрылғыларына (ТҚ) түседі.
Сүзгінің өткізу қабілеттілігі анализатордың статикалық ажыратымдылығын анықтайды (ha E. ha талдау уақыты үлкен болған жағдайда). Анализатордың ажыратымдылық қабілеті жақын жиіліктермен спектрдің компоненттерін ажырата білу қабілеті. Сүзгінің өткізу қабілеттілігі неғұрлым тар болса, соғұрлым жоғары болады. [5] кең өткізу қабілеттілігімен бірнеше компоненттер бөлінбейді. Егер сіз жиілік диапазонындағы ыдырау қабілетін жақын компоненттерді бөлуге болатын жұппен бағаласаңыз, онда FP FF сүзгісінің идеалды тікбұрышты АЖС-мен болжауға болады. Қайта сүзгілер үшін fp 2A. Егер талдау уақыты аз болса, онда динамикалық ыдырау қабілеті бар.
Спектрді дұрыс көбейту үшін қажетті талдау уақытын шамамен келесідей бағалауға болады. Параллельді зерттеу кезінде талдаудың Bpe -- і тік бұрышты жиіліктік сипаттамасы бар және K f$ жұмыс жолағы (0,1 деңгейінен 0,9 деңгейіне дейін) бар сүзгі шығысындағы кернеуді орнату уақытына тең болуы мүмкін. Сүзгілер теориясынан z -- 0,86 {BF$) орнату уақыты белгілі, сондықтан Та гу -- 1 {kf$). [18]
Талдау жылдамдығы сүзгінің өткізу қабілеттілігі кезінде төмендейді. Параллельді анализаторлардың артықшылығы-талдаудың аз уақытында.
Параллельді талдаудағы қателік келесі негізгі факторлармен анықталады: сүзгінің шығысындағы тербелістерді белгілеу уақытының аяқталуы және оның өткізу қабілеттілігіне тәуелділігі, әртүрлі жиіліктерге сәйкес келетін сүзгілердің сипаттамаларының айырмашылығы.

1.1.2 Векторлық сигнал анализаторлары

Сандық модуляциясы бар сигналдарды талдау кезінде сигналдың амплитудасы мен фазасы туралы ақпарат алу үшін векторлық өлшеулер қажет. Векторлық сигнал анализаторының жеңілдетілген құрылымдық схемасы 1.5 суретте көрсетілген.

ЙО.lОG0В0?
фУЛЫр
ЙО.lОG0В0?
фУЛЫр
Сурет 1.5 Құрылымдық cxeма вектор анализатор

Вектор анализаторы кіріс RH сигналын құрылғының өткізу қабілеттілігі шегінде сандық түрге түрлендіреді және сандық сигнал процессоры пайдаланатын түрлендірілген сигналдың амплитудасы мен фазасы туралы ақпаратты жадқа жазады, ол сигнал анализаторларының құрамына кіретін ADC өлшеу нәтижелерін демодуляциялау, өңдеу және көрсету үшін қолданылады, кең жолақты PH сигналын цифрландырады, содан кейін түрлендіреді. Жылдам Фурье түрлендіру алгоритмдері (FFT) уақыт аймағынан жиілікке түрлендіру үшін қолданылады. Векторлық анализатор модуляция параметрлерін өлшейді, мысалы, FM сигналының жиілігінің ауытқуы, код аймағындағы қуат, вектор қате амплитудасы (EVM) және констелляциялық диаграмма. Сонымен қатар, векторлық сигнал анализаторының көмегімен арнадағы қуатты, қуаттың уақытқа және спектограмдарға тәуелділігін көрсетуге болады.
Осциллограммаларды жадта сақтау мүмкіндігіне қарамастан, векторлық анализаторда қысқа мерзімді өтпелі талдау функциялары шектеулі. Мұндай анализаторлар үшін әдеттегі автоматты сканерлеу режимінде басқа сигналдарды өңдеу алдында жадқа енгізу керек. Кезде дәйекті деректер пакетін өңдеу кезінде құрылғы деректерді тіркеу сәттері арасында пайда болатын оқиғаларға әсер етпейді. Бұл жалғыз немесе сирек кездесетін оқиғаларды әшкерелеуді қиындатады және тіпті мүмкін емес етеді. Жадта осы оқиғаларды бөлектеу үшін сіз осындай кездейсоқ емес оқиғаларға ұшыруды қолдана аласыз. Алайда, векторлық сигнал анализаторларында басқа іске қосу мүмкіндіктері шектеулі. Штифтен тыс жерде іске қосу іс жүзінде мүмкін емес оқиға туралы алдын-ала ақпарат болған жағдайда ғана мүмкін болады. ӨЖ сигналының жалпы қуатын өлшеу негізінде орындалатын ӨЖ деңгейі бойынша іске қосу кезінде күшті сигналдар болған кезде, сондай-ақ сигналдардың амплитудасы емес, жиілігі өзгерген кезде әлсіз сигналдар ажыратылмайды. Осы екі жағдай да басқа динамикалық радиожиілік спектра-ға тән
1.2. Ализаторлардың негізгі xapaктеристикасы

Жиілік диапазоны сигналдардың спектрлері талданатын жиілік интервалының шекаралық мәндерін сипаттайды. Радио импульстар спектрін талдау жағдайында бұл сипаттама сигналдардың тасымалдаушы жиіліктерінің диапазоны туралы түсінік береді, олардың көмегімен құрылғыны зерттеуге болады. Құрылғының сипаттамаларын салыстырған кезде және радио импульсті зерттеген кезде, оның енін ескеру керек, өйткені соңғысы кейде айтарлықтай болады. [3]
Жиіліктің жұмыс диапазоны негізінен гетеродиннің тербеліс жиілігін қайта құру диапазонымен анықталады (немесе жолақ сүзгісінің орташа жиілігі). Іс жүзінде анализатордың жұмыс жиілігінің аймағын гетеродин гармоникасын қолдану нәтижесінде кеңейтуге болады.
Ажыратымдылық тжр спе-нің екі құраушысы арасындағы жиіліктер осі бойынша ең аз арақашықтықты анықтайды, онда мыналар болуы мүмкін жеке сызықтар бөлініп, олардың деңгейлері өлшенеді. Үздіксіз спектрлерді талдау кезінде "кесілген" бөліктің ені рұқсат ету қабілетіне байланысты болады.
Қатаң айтқанда, көрші компоненттердің толық бөлінуі мүмкін емес. Бұл әрқашан белгілі бір дәрежеде шартты. Бұл екі жолдан тұратын спектрді талдау мысалында көрінеді (1.6-сурет). Бір мезгілде резонаторда екі жиіліктің тербелісі қозғалады және айырмашылық жиілігімен биндер пайда болады. Кернеу, менің индикаторымды бекітеді, бұл қисық сызықтың көрінісі.

Сурет 1.6 Ажыратымдылық

Тек жолақты сүзгі параметрлерінің функциясы болып табылатын ажыратымдылық статикалық деп аталады. Одан өзгешелік динамикалық рұқсат шающую қабілеті, ол тек параметрлерін сайлау жүйесін біз емес, уақыт. Талдағыштың шынайы ажыратымдылық қабілеті болып табылатын динамикалық ажыратымдылық аспаптың таңдау жүйесінің динамикалық сипаттамасымен анықталады.
Талдау ұзақтығы. Бір түрлі талдау кезінде оның ұзақтығы бір жолақты сүзгінің if өткізу жолағына кері пропорционал болатын тербелістерді орнату уақытымен анықталады. Жүйелі талдау жағдайында оның ұзақтығы зерттеу жұмысының еніне тура пропорционал F және сайлау жүйесінің өткізу жолағының квадратына кері пропорционал.
Осылайша, дәйекті талдаудың ұзақтығы п = F if бір мезгілден бір есе көп алынады және оны формула бойынша анықтауға болады [5]
Талдау жылдамдығы. Көптеген жағдайларда SPE ktra зерттеулері жоғары жылдамдықты дәйекті талдауды қажет етеді. Алайда, жиілікті өлшеу жылдамдығын арттырған кезде ыдырау қабілеті төмендейді, өйткені анализатордың динамикалық сипаттамасының 2 (1.6 (б) сурет) статикалық 1-ден айырмашылығы едәуір артады. Негізгі айырмашылықтар келесідей:
- беріліс коэффициенті төмендейді және жиілік неғұрлым тез өзгерсе, соғұрлым маңызды болады;
- резонанстық қисықтың максималды ығысуы жиілікте де, уақыт бойынша да өзгереді, бұл ча стотаның өзгеру жылдамдығының жоғарылауымен жоғарылайды;
- резонанстық қисықтың кеңеюі пайда болады, өйткені резонансқа жақындаған кезде амплитудасы біртіндеп өсіп, уақыт өте келе тербелістермен азаяды; бұл сүзгінің еркін тербелістері мен оны қоздыратын тербелістер арасындағы соққыларға байланысты;
- неғұрлым айқын резонанстық қисық пайда болады, ал жиіліктің өзгеру жылдамдығы жоғарылаған сайын селективтілік нашарлайды.
Сезімталдық. Спектрлік анализаторлар жоғары сезімталдыққа ие құрылғылар болып табылады, өйткені олар әлсіз сигналдарды зерттеу үшін жиі қолданылады. Төмен жиілікті осциллографиялық анализаторлардың сезімталдығы милливольттарда көрінеді. Микротолқынды анализаторлардың сезімталдығы микротолқынды қабылдағыштардың сезімталдығымен бірдей. Төлқұжат әдетте монохроматикалық сигналдарға сезімталдықты көрсетеді. Импульстік сигналдардың спектрлерін зерттеу кезінде сезімталдық әлдеқайда аз және импульстардың ұзақтығына байланысты.

1.3 Қолданыстағы бағдарламалық-техникалық құралдарға шолу

OAP бөлімінің зертханалық жұмыстарында aktakom ACK-2041 осциллографы құрамында спектр анализаторы қолданылады. Сондай-ақ LabVeiw ортасында ni ELVIS Dynamic Signal Analyzer (DSA) спектрінің виртуалды аспабы. Құрылғылардың кемшіліктері бар, олар төменде сипатталады. Техникалық сипаттамалары мен функционалдығын салыстыру үшін Tektronix rsa603a спектр анализаторы қарастырылады.
1.3.1 Aktakom Ack-2041 Осциллографы

Aktakom Ack-2041 сандық осциллографы сұйық кристалды индикаторда визуалды бақылау және олардың амплитудасы мен уақыт сипаттамаларын өлшеу арқылы электр сигналдарының пішінін зерттеуге арналған.

Сурет 1.7 Aktakom ACK-2041 осциллографының пайда болуы

Осциллографтардың жұмыс принципі кіріс сигналын берілген іріктеу жиілігімен Аналогты-сандық түрлендіруге, кейіннен сандық өңдеу және сұйық кристалды матрицалық түсті немесе монохромды дисплейде көрсету үшін сақтау құрылғысында сандық деректерді тіркеуге негізделген. [7]
Осциллографтың бағдарламалық жасақтамасы жұмыс режимдерін, сандық деректерді өңдеуді, оларды дисплейде көрсетуді, USB дискісіне беруді басқарады. БҚ цифрлық деректерді өңдеудің мынадай функцияларын орындауды қамтамасыз етеді:
- Автоматты өлшеулер (24 параметрге дейін);
- курсорлық өлшемдер;
- Фурье жылдам түрлендіру функциясын (FFT) қоса алғанда, математикалық өңдеу.
Aktakom ACK-2041 осциллографының негізгі техникалық сипаттамалары 1-кестеде келтірілген.

Кесте 1
ACK-2041 техникалық сипаттамалары
Сипаттамасы
Мағынасы
Тік ауытқу арналарының параметрлері
Рұқсат етілген шектер
ауытқу коэффициентінің салыстырмалы қателігі, %:
- X1 зондымен (1:1);
- X10 зондымен (1: 10)

+- 4
+- 5
Арналардың әрқайсысының ауытқу коэффициентін орнату диапазоны
от 2 мВдел до 5 Вдел
Өткізу жолағы (-3 дБ), МГц
0-40
ADC дәрежелерінің саны
8
Көлденең ауытқу арнасының параметрлері
Сыпыру коэффициентінің рұқсат етілген салыстырмалы қателігінің шектері, %
0,5
Максималды іріктеу жиілігі, МГц:
200 нақты, 20000 баламалы

БПФ функциясының болуы іс жүзінде осциллографтың көмегімен спектрді талдауға мүмкіндік береді. Егер гармоникалық коэффициентті өлшеу немесе тербелістерді талдау, қуат көздерінің Шу сипаттамаларын өлшеу және т.б. қажет болса, BPF өзгеруі мүмкін.
БПФ терезесі ол жүзеге асырылатын деректер аймағын (осциллографтар үлгілерінің нүктелерін) анықтайды. BPF теориясы мерзімді сигнал туралы болжамнан туындайды және идеалды түрлендіру үшін нақты сигнал үшін ешқашан мүмкін болмайтын сигналдың бір немесе бірнеше кезеңдерін бөліп көрсету қажет емес. Бұл бастапқы функцияның алшақтығына және есептік жиілік спектрінің бұрмалануына (кеңеюіне) әкеледі.
БПФ терезе функциясы шеттік нүктелердің (старт және Стоп) амплитудасының төмендеуін және нәтижесінде нәтижелердің жақсаруын қамтамасыз ететін терезедегі деректерді іріктеу үшін салмақ коэффициенттерін енгізу арқылы нақты функциялардың үзілу жиектік әсерлерін басу үшін қолданылады. [8] алайда, бұл әрекеттер зерттелетін сигналға бұрмаланулар енгізетінін түсіну керек.

1.3.2 DSA спектр Анализаторы

DSA виртуалды құрылғысы ni ELVIS платформасының бөлігі болып табылады. Физикалық тұрғыдан алғанда, платформа жұмыс станциясынан және енгізу-шығару функциясын орындайтын DAQ құрылғысынан тұрады. Жұмыс станциясы зерттелетін объектілердің қосылуын қамтамасыз етеді және зертханалық қондырғының функционалдығын анықтайды.
Бағдарламалық жасақтама жұмыс станциясында және құрылғылар арасында сигналдарды бағыттайтын төмен деңгейден тұрады. Сондай-ақ алынған сигналдарды өлшеуге, өндіруге және талдауға арналған виртуалды құрылғылар жиынтығы. [27]
DSA құралы ni ELVIS енгізу-шығару Модулінің аналогтық кірісін пайдаланады. Ол жылдам Фурье түрлендіру алгоритмдері арқылы спектрді есептейтін BFT анализаторы ретінде параллель типтегі сандық анализаторларға жатады.

Сурет 1.8 DSA виртуалды құрылғы панелі

Жиілік диапазонының жоғарғы шегін таңдағанда, құрылғы кіріс сигналының кванттау жиілігін автоматты түрде орнатады. Бұл мүмкіндік сигналдардың аналогтық енгізілімін қолданатын спектр анализаторын және басқа құрылғыларды бір уақытта пайдалану мүмкіндігін жоққа шығарады, мысалы, осциллограф, яғни сигналдардың пішіні мен спектрін бір уақытта бақылау мүмкіндігі алынып тасталады.
БПФ алгоритмінің жиілігі бойынша кванттау қадамы сигналдың ұзақтығына кері пропорционал. [10] талдау үшін DSA жиілік диапазонының жоғарғы шегі мен спектрограммадағы нүктелер санын анықтайды, осылайша кванттау қадамы спектрограммадағы екі нүкте арасындағы қашықтықпен анықталады. Талдау уақытын анықтау автоматты түрде жүзеге асырылады.
БПФ алгоритмі жиілік талдауының барлық диапазонын тең сегменттерге бөледі, осылайша аспаптың ажыратымдылық қабілеті талдау жиілігіне тәуелді емес және жиілік бойынша кванттау қадамымен анықталады және талдау үшін белгілі бір жиілік диапазонын белгілеу мүмкіндігінің болмауына байланысты оны көбейту мүмкін емес.
Үшін БПФ ғана пайдалану қажет сигналдар ұзындықты, нақты -- ұзындығы сигнал выборках тиіс дәрежесімен, "екілік". Осылайша, FFT 1024 (немесе 512 немесе 2048) сигнал нүктелерінің массивімен дұрыс жұмыс істейді, бірақ 1000 (немесе 500 немесе 2000) нүктелердің массивімен емес. Нәтижесінде, 1 МГц жиілігінде алынған 10 КГц жиіліктегі әдеттегі калибрлеу сигналы, осы жағдайларда 1000 нүкте болатын периодтың ұзындығында FFT-ге ұшырамау мүмкін емес, сіз талдау үшін сәл үлкенірек аймақты пайдалануыңыз керек -- 1.024 сигнал кезеңі (және осылайша сигнал спектрін бұрмалауға кепілдік беріледі, өйткені Фурье түрлендіруі жүргізілуі керек сигнал кезеңінің дәл сол бөлігінде немесе оған көбейтілген) немесе мыңдаған нүктелерді алдын-ала дискреттеу
10,24 МГц виртуалды іріктеу жиілігіне сигнал және, мүмкін, қолданылған интерполяция нәтижесінде сигнал формасын бұрмалайды, нәтижесінде спектрдің бұрмалануына әкеледі. [12]
Зертханада бар құралдардың кемшіліктері жоғарыда сипатталған ерекшеліктерге байланысты FFT алгоритміне негізделгендігімен тікелей байланысты. Сонымен қатар, DSA функционалдығында қажетті құралдар жоқ:
- дисплей шкаласын таңдау жоқ (сызықтық логарифмдік);
- сигналды талдау уақытын таңдау мүмкін еместігі;
- талдау жиілігінің нақты диапазонын белгілеудің мүмкін еместігі;
- спектрдің дұрыс құрылуына тікелей әсер ететін бастапқы жағдайларды анықтау үшін БПФ есептеулерін терең түсіну қажеттілігі.

2 "Спектр Анализаторы" виртуалды құралы
2.1 Техникалық тапсырма

LabView жүйесінде "спектр Анализаторы" виртуалды аспабын (ВП) әзірлеу.
Әзірленген құрылғының мақсаты-студенттерді ТПУ - ға оқытуда зертханалық жұмыстарда қолдану.
Құрылғының қажетті функционалдығы:
-ni 6251 сериялы DAQ құрылғысы арқылы кіріс сигналын оқу;
- сигнал үлгісін алу жиілігін таңдау;
- талдау уақытының тапсырмасын, ажыратымдылығын, жиілікті талдау диапазонын қолмен орнату мүмкіндігімен сигнал спектрін құру;
- спектрді логарифмдік және сызықтық масштабта көрсету;
- гармониканың амплитудасы мен жиілігін есептеу;
- гармоника коэффициентін есептеу;
- сигнал спектрінің сандық массивін сақтау мүмкіндігі.
Талап етілетін техникалық сипаттамалар:
- кіріс сигналының жиілік диапазоны 1-ден 5*103 Гц дейін;
- 5 В кіріс сигналының максималды амплитудасы.

2.2 NI USB 6251

DAQ-ni USB 6251 сериялы М құрылғысы LabVIEW әзірлеу ортасы үшін Шығыс енгізу Модулінің функционалдығын жүзеге асыруға арналған. Құрылғы келесі техникалық сипаттамаларға ие:
- 16 аналогтық кіріс арналары;
- 2 аналогтық шығу арнасы;
- 24 арна дискретті енгізу шығару;
- ADC сыйымдылығы: 16 бит;
- 1,25 MSs кіріс сигналының максималды жиілігі;
- шығу сигналының максималды жиілігі 2,86 MSs; екі 32 биттік есептегіш таймер.
Құрылғы зертханалық зерттеулерді қарапайым автоматтандырудан бастап күрделі ғылыми - зерттеу жұмыстарына, сондай-ақ өндірістік сынақтарға дейін кең ауқымды қосымшалар үшін деректерді жинау функционалдығын үнемді және сенімді іске асыруға арналған. Құрылғының сыртқы түрі 2.1-суретте көрсетілген.

Сурет 2.1 NI USB 6251 көрінісі

NI USB 6251 сигналдарды құру және оқу үшін сандық-аналогтық және аналогтық сандық түрлендірулерді орындайды, сонымен қатар дискретті сандық енгізу шығару сигналдарын қабылдайды және қалыптастырады. [17]
Құрылғы ni-DAQ драйверлерінің жиынтығы арқылы басқарылады, бұл функциялар мен виртуалды құрылғылардың кең таңдауы болып табылады, олардың көмегімен баптау және барлық қасиеттер мен мүмкіндіктерді бағдарламалау.
Біздің VP - нің негізгі міндеті-құрылғының аналогтық кірісіне түсетін мерзімді және мерзімді емес сигналдарды талдау. Талдау сапасы сигналдың LabVIEW ортасына қаншалықты дәл жеткізілгеніне тікелей байланысты. Сондықтан аналогтық енгізу жүйесінің техникалық құрылғысы және оны пайдалану мүмкіндігі туралы толығырақ тоқталайық.
Аналогтық кіріс арнасының схемасы 2.2 суретте көрсетілген.

Сурет 2.2 Аналогтық енгізу ішкі жүйесі

Схемадан көріп отырғанымыздай, аналогтық сигналды оқудың негізгі элементтері келесі негізгі түйіндерден тұрады:
- I O Connector-I O қосқышы (физикалық қосылым);
- MUX-әрбір аналогтық кіріс арнасынан сигналдарды кезекпен беретін мультиплексор, ,
- DIFF, RSE or NRSE-арнаны қосу конфигурациясы жүйесі;
-NI - PGIA-бағдарламаланатын кірісі бар аспаптық өлшеу күшейткіші-кіріс сигналының барлық диапазондары үшін орнату уақытын азайтады;
- AI Lowpass Filter төмен жиілікті сүзгі, тартылған кезде алдын-ала конфигурацияланғаннан жоғары жиіліктерді кесіп тастайды;
- ADC-ADC сигналды сандық түрге айналдырады;
- AI FIFO - "кезек"типті аналогтық енгізу буфері. NI USB 6251 санаудың шексіз немесе соңғы санын көрсете отырып, бірнеше және жалғыз Аналогты - сандық түрлендірулерді орындай алады. Деректердің жоғалуын болдырмау үшін FIFO-үлкен көлемді буфер аналогтық кіріс сигналын өлшеу процесінде деректерді сақтайды. Бағдарламаланатын енгізу-шығару немесе үзілістер арқылы жадқа тікелей қол жеткізу режимімен (PDP) бірнеше аналогты-цифрлық түрлендірулердің функционалдығы да жүзеге асырылады.
Аналогтық кірістің амплитудалық мәндерінің диапазоны-берілген төзімділікпен сандық түрлендірілетін кіріс кернеулерінің сериясы. Бір ADC квантына сәйкес келетін кернеу болып табылатын аналогтық кіріс арнасының ажыратымдылығына берілген кіріс өлшеу диапазоны тікелей әсер етеді. Біздің жағдайда, 16 биттік ADC аналогтық кіріс сигналдарын 65536 = 216 кодтық комбинациялардың біріне, осылайша диапазонға біркелкі бөлінген 65536 мүмкін сандардың біріне айналдырады. [20] сондықтан 16 биттік ADC әр квантында -5 В-тан 5 В-қа дейінгі кіріс диапазоны үшін 160 мкВ кернеу сәйкес келеді.
Басқарудың кең мүмкіндіктері Аналогты шамаларды аппараттық синхрондаумен де, бағдарламалық жасақтамамен де өлшеуге мүмкіндік береді. Деректерді жинауды бағдарламалық синхрондау кезінде іріктеу жиілігі бағдарламалық жасақтаманы басқарады. Келесі Аналогты-сандық түрлендіруді бастау үшін бағдарламалық жасақтама деректерді жинау құрылғысына арнайы команда жібереді. NI-DAQmx-де деректерді жинаудың бағдарламалық синхрондау режимі сұраныс бойынша синхрондау (on-demand) деп аталады. Бұл режим тікелей немесе статикалық режим деп те аталады және әдетте бір сілтеме алу үшін қолданылады. Деректерді жинауды аппараттық синхрондау кезінде -- жиілік дискретизация деректерді жинау құрылғысымен жасалуы немесе оған сыртқы генератордан берілуі мүмкін аппараттық-қалыптастырылатын ai Sample Clock сандық сигналын басқарады.
Бағдарламамен салыстырғанда аппараттық синхрондау келесі артықшылықтарға ие:
- мүмкін, әлдеқайда аз іріктеу аралығын орнату;
- санақ арасындағы уақыт аралығы детерминистік болып табылады;
- аппараттық құралдарды пайдалануға болады.

2.3 ВҚ іске асыру
2.3.1 Сигнал спектрін есептеудің негізгі алгоритмі

Пайдаланылатын бағдарламалық-техникалық құралдармен салыстырғанда бәсекелестік артықшылықтарға қол жеткізу үшін БПФ алгоритмдері негізінде спектрдің үлгілік құрылуынан бас тарту туралы шешім қабылданды.
Уақыт шеңберіндегі шектеулі процестің формуласын (2.1) келесі түрде ұсынуға болады: [21]

(2.1)

Мұндағы
t1. t2-спектр анықталатын сигнал уақыт аралығының шектері;
9 (t) -- f уақыт сәтіндегі сигналдың лездік мәні;
f-спектр есептелетін ағымдағы жиілік.

Алайда, сигналды оқу кезінде біз ADC-тен кейін алынған деңгей мен уақыт бойынша беделге ие мәндер жиынтығын аламыз. Интеграцияны дискретті түрде жүзеге асыру үшін тіктөртбұрыш әдісі және трапеция әдісі сияқты бірқатар алгоритмдер бар. Себебі жалпы пайдалану жағдайындағы үлгілер саны оңтайландыру негізінде сандық есептеу үшін құрылғылар жеткілікті үлкен ресурстар, біз тіктөртбұрыштар әдісін қолданамыз. Бұл жағдайда интеграл келесі сомамен ұсынылады:

(2.2)

онда

dt=1fk - уақыт бойынша сигналды кванттау қадамы;
fk-сигналды кванттау жиілігі;
N-сигналдың кіріс буферіндегі үлгілер саны.
Бұл форманы есептеу кезінде кванттау жиілігі бастапқы шарттармен анықталады және ni USB 6521 көмегімен үлгілерді алудың максималды жиілігімен шектеледі. Кіріс сигнал буферіндегі үлгілер саны талдау уақытына және кванттау жиілігіне тура пропорционал және уақыт бойынша кванттау қадамына кері пропорционал. Осылайша, буфердің саны келесідей есептеледі:

ti
ti
(2.3) dt

(2.2) формуласы бойынша спектрограмманы есептеу үшін жиіліктің шексіз шағын кесінділері үшін деректерді жинаудың әрбір итерациясында Фурье интегралын толық есептеу қажет. Нақты мәселелерде алдын-ала белгілі жиілік диапазонындағы спектрді талдау қажет. Сонымен қатар, бұл диапазонды қажетті дискретті мәндермен бөлуге болады. Ол үшін талданатын жиілік диапазонындағы интервалдар санына тең ұзындықтағы спектрограмманың деректерін сақтау үшін массив құру қажет. Диапазонның жоғарғы және төменгі жиіліктері, спектрограмманы сақтауға арналған массивтің ұзындығы, уақытты кванттау қадамы, лездік сигнал мәндерінің итерацияларының саны (кіріс буферінің ұзындығы), сондай-ақ цифрланған сигналдың лездік мәнін біле отырып, спектрді нақты уақыт режимінде талдау жүргізу арқылы сигнал деректерін сақтау үшін кіріс буферін пайдаланбай есептеуге болады.
Толық соманы есептеудің алдыңғы нәтижесімен ағымдағы уақытта есептеу нәтижелерін қосу арқылы рекурсивті түрде алуға болады:
(2.4)

2.3.2 LabVIEW ортасында алгоритмді іске асыру

Бағдарламалық жасақтама бөлігінде сигналдың негізгі оқылуы ni-DAQmx драйверлер пакетінің жұмысына жүгіну арқылы жүзеге асырылады. Құрылғының негізгі алгоритмінің Блок - диаграммасы 2.3 суретте көрсетілген.

Өлшеу уақыты, мс

Сурет 2.3 Сигнал спектрін есептеу

Сигналды алу үшін DAQmx Create Virtual Channel блогы кернеуді өлшеу үшін виртуалды арна жасайды, оны ni USB 6251 физикалық арнасымен байланыстырады. Әрі қарай DAQmx Timing блогы арқылы оқу үлгілерінің саны белгіленеді. Кесте түрі опцияларды таңдау арқылы орнатылады. Қосымша сағат параметрлері осы виртуалды құрылғының (VP) қасиеттерінде және қосымша опцияларда реттеледі. Samples per Channel және Rate тұрақтыларының мәндері арна үшін қанша санақ болатынын және қандай іріктеу жиілігін анықтайды. Біздің жағдайда оқу тапсырмасын құру блоктарын орнату бізге берілген Rate жиілігімен әр уақытта 1 мән алуға мүмкіндік береді. Жиілік құрылғының физикалық мүмкіндіктерімен шектеледі, сондай-ақ оны таңдаған кезде жоғары мән есептеу жүктемесін арттыратынын түсіну керек, бірақ Котельников теоремасына сәйкес келу үшін мән алынған сигнал жиілігінің екі еселенген мәнінен төмен болмауы керек. Іс жүзінде бұл мән тиісті нәтиже алу үшін зерттелетін сигналдың жиілігінен үш -- төрт есе артық орнатылады. Бастапқы жағдайларды жасағаннан кейін және аналогтық енгізу жүйесін конфигурациялағаннан кейін, VI DAQmx Read блогы спектрлік компоненттерді есептеу циклімен өңделетін сигнал күйінің квантын алып тастайды. Есептеу берілген талдау рұқсатымен қызығушылық диапазонындағы әр жиілік үшін жасалады. Нәтижелер спектрограмманың жалпы сомасына кешенді түрде қосылады. Спектрдің нақты мәні берілген талдау уақыты аяқталғаннан кейін есептеледі.
Сигналды уақытша көрсету кезінде х осі үшін жиілік массиві бұрын берілген мәнге түзетіле отырып, цикл итерацияларын есептеу арқылы қалыптасады

2.4 "Спектр талдағышы"ВК функционалы

"Спектр Анализаторы" виртуалды құрылғысының негізгі терезесі 2.4 суретте көрсетілген.

Сурет 2.4. "Спектр Анализаторы" виртуалды құрылғысының терезесі

Көріп отырғаныңыздай, талдау барысында сигнал уақыт пен жиілік компоненттерінде көрсетіледі.. Аналогтық арнаға бастапқы параметрлер тапсырмасынан сигнал бергеннен кейін спектрограмма алу үшін "спектр құру" түймесін басу керек.
Құрылған спектрограмма кезінде талдаудың функционалы іске асырылды:
- курсорды графикке байланыстырып, координаттарды көрсету арқылы жылжыту;
- курсордың орнына қатысты жиілік осін масштабтау;
- жалған гармониканы кесу жиілігі мен ең төменгі амплитудасы бойынша дәлдікті шектей отырып, гармониканың жиілігі мен амплитудасының сандық мәндерін шығару;
- гармоника массивін жеке компьютердегі файлға сақтау;
- сигналдың сызықтық емес коэффициенттерін есептеу.
Сондай-ақ, спектрдің дисплейін таңдау логарифмдік немесе сызықтық масштабта жүзеге асырылады. Логарифмдік масштаб мына формула бойынша есептеледі:
(2.5)

А-дБ-дағы күшейтудің есептік мәні;
S; - I-ші жиілік компонентінің амплитудасы;
Sp; p-спектрограмманың амплитудасының минималды мәні.
Виртуалды құрылғының функционалдығын толығырақ қарастырайық
2.4.1 Жиілік диапазонының міндеті

Талдаудың негізгі параметрлерінің бірі-талданатын жиіліктер ауқымын және берілген диапазонды іріктеу қадамын анықтау. Виртуалды спектр анализаторында бастапқы шарттар туралы мәліметтер мәселесінің екі нұсқасы енгізілген:
- орталық жиілік және өткізу қабілеті;
- минималды және максималды жиілік.
Сонымен қатар, бөгеуге негізгі блок диаграмманы анализатор спектрін осы функционал шығарылатын қр қосылатын құрал
Range to array. Блок-диаграмма 2.5-суретте көрсетілген.

Сурет 2.5. "Range to array"виртуалды қосалқы құрылғысының Блок-схемасы

Сигнал есептерінің әдісін өзгерткен кезде сұйық әдіске қатыспайтын енгізу өрістері VP пайдалану ыңғайлылығын арттыру үшін автоматты түрде жасырылады.

2.4.2 Гармониканы есептеу

Классикалық түрде алынған сигнал спектрін талдау өлшемді торды және анализатор экранының тік және көлденең осьтеріндегі ағымдағы мәндердің масштабын қолдана отырып, көзбен жүргізілді. Функционалдылықты модельдеу үшін кең жиілік диапазонында алынған жақын сигнал шыңдарының бөлінуін көру үшін курсордың координаттарын оқу мүмкіндігі, сондай-ақ жиілік осі бойымен масштабтағы өзгерістер жүзеге асырылады. Амплитудасы бірнеше ... жалғасы

Сіз бұл жұмысты біздің қосымшамыз арқылы толығымен тегін көре аласыз.