Случайные стр.309-354 (1066257), страница 5

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 5)

По назначению ИВК делят на типовые, проблемные и специализированные.

Типовые ИВК предназначены для решения широкого круга типовых задач автоматизации измерений, испытаний или иссле­дований независимо от области применения.

Проблемные ИВК разрабатывают для решения специфичной задачи в конкретной области автоматизации измерений.

Специализированные ИВК используют для решения уни­кальных задач автоматизации измерений, для которых разработка типовых и специализированных комплексов экономически неце­лесообразна.

Измерительно-вычислительные комплексы предназначены для следующих задач:

• осуществления прямых, косвенных, совместных или сово­купных методов измерений физических величин;

• представления оператору результатов измерений в требуемом
  виде и управления процессом измерений и воздействия на объект
  измерений.

Чтобы реализовать эти функции, ИВК должен:

• эффективно воспринимать, преобразовывать и обрабатывать
  электрические сигналы от первичных измерительных преобразователей, а также управлять средствами измерений и другими тех­ническими устройствами, входящими в его состав;

• вырабатывать нормированные сигналы, являющиеся вход­ными для средств воздействия на объект, оценивать метрологические характеристики и представлять результаты измерений в установленной форме.

12.4. Компьютерно-измерительные системы

В последние годы сформировалось совершенно новое на­правление в метрологии и измерительной технике — компьютер­но-измерительные системы, и их разновидность, или направле­ние развития — виртуальные (виртуальный - - кажущийся) измерительные приборы (проще, виртуальные приборы). Компь­ютерно-измерительная система обязательно включает в себя ком­пьютер, работающий в режиме реального масштаба времени или, как теперь принято говорить, в режиме on-line.

В настоящее время персональные компьютеры используют не только как вычислительные средства, но и как универсальные измерительные приборы. Компьютерно-измерительные системы на основе персонального компьютера заменяют стандартные из­мерительные приборы (вольтметры, осциллографы, анализаторы спектра, генераторы и пр.) системой виртуальных приборов. Причем ряд этих приборов может быть активизирован (воспроиз­веден) на одном персональном компьютере одновременно.

К отличительным особенностям КИС по сравнению с микро­процессорными приборами относятся:

• обширный фонд стандартных прикладных компьютерных
  программ, доступных для оператора, позволяющий решать ши­рокий круг прикладных задач измерений (исследование и обра­ботка сигналов, сбор данных с датчиков, управление различными
  промышленными установками и т.д.);

• возможность оперативной передачи данных исследований и
  измерений по локальным и глобальным компьютерным сетям
  (например, сети Internet);

• высокоразвитый графический интерфейс пользователя, обес­печивающий быстрое освоение взаимодействия с системой;

• возможность использования внутренней и внешней памяти
  большой емкости, а также составления компьютерных программ
  для решения конкретных измерительных задач;

• возможность оперативного использования различных уст­ройств документирования результатов измерений.

Архитектура построения КИС

Компьютерно-измерительную систему можно строить двумя способами: с последовательной или параллельной архитектурой.

В компьютерно-измерительных системах с последовательной архитектурой (ее иногда называют централизованной системой) части системы, преобразующие анализируемые сигналы, обрабатывают их в последовательном режиме. Поэтому всю соответствующую электронику размещают на слотах компьютера.

В компьютерно-измерительных системах с параллельной архитектурой содержится ряд парал­лельных каналов измерения, каждый из которых имеет собствен­ные узлы преобразования анализируемых сигналов и только про­цессор компьютера работает в режиме мультиплексирования (т.е. объединения сигналов). Подобный принцип построения КИС по­зволяет проводить оптимизацию обработки сигналов в каждом канале независимо. В такой системе преобразование сигналов можно выполнять локально в месте расположения источника ис­следуемого сигнала, что позволяет передавать сигналы от изме­ряемого объекта в цифровой форме.

Обобщенная структурная схема КИС, отражающая обе архи­тектуры построения, показана на рис. 12.3.

Взаимодействие между отдельными элементами КИС осуществляют с помощью внутренней шины компьютера, к которой подключены как его внешние устройства (дисплей,внешняя память, принтер, плоттер), так и измерительная схе­ма, состоящая из коммутатора, АЦП и блока образцовых про­граммно-управляемых мер напряжения и частоты. С помощью ЦАП можно вырабатывать управляющие аналоговые сигналы; интерфейсный модуль ИМ подключает измерительный прибор к магистрали приборного интерфейса. Коммутатор устройства обеспечивает подачу аналоговых напряжений с внешних датчи­ков на узлы системы. Достаточно простые узлы КИС можно раз­местить на одной плате персонального компьютера. Существуют и более сложные структуры КИС, в которых в соответствии с ре­шаемой измерительной задачей по установленной программе ме­няют архитектуру построения системы.

Одним из элементов КИС служит блок образцовых про­граммно-управляемых мер напряжения и частоты. В качестве встроенных образцовых мер напряжения в КИС используют ста­билитроны, температурный коэффициент напряжения которых составляет около 2,5 • 10~⁵. Наиболее эффективным способом ста­билизации опорного напряжения является термостатирование блока стабилитронов. Термостат поддерживает температуру эле­ментов около 30 °С со стабильностью не менее 0,1 °С. Недостат­ком такой схемы являются достаточно длительный прогрев тер­мостата (до 30 мин), а также большие скачки температуры при включении термостата. Температурные перепады ускоряют про­цесс старения стабилитронов, а следовательно, снижают их дол­говременную стабильность.

В настоящее время в КИС учитывают температурную неста­бильность элементов программными методами: в блок стабили­тронов вводят датчик температуры и экспериментально определя­ют зависимость опорного напряжения от температуры. Эту зависимость записывают в ПЗУ компьютера или во внешнюю па­мять. В процессе эксплуатации прибора температура стабилитро­нов автоматически измеряют и по этой зависимости вводят поправ­ку в значение уровня образцового напряжения. При работе без дополнительного подогрева значительно возрастает долговремен­ная стабильность стабилитронов.

Аналогично измеряют и учитывают нестабильность частоты кварцевого генератора — меры частоты: сигналы с датчика темпе­ратуры воздействуют на варикап, подстраивающий генератор на

номинальную частоту. Нестабильность частоты кварцевого генера­тора может быть снижена до 10~⁷. Кварцевый генератор можно ис­пользовать в качестве задающего, если в системе необходим син­тезатор частоты с дискретной сеткой частот.

В последних разработках КИС предусмотрена возможность определения индивидуальных функций влияния температуры на разные параметры прибора: дрейф нуля УПТ, коэффициенты пе­редачи различных структурных элементов. Непрерывный кон­троль температуры блоков позволяет автоматически корректиро­вать возникающие погрешности измерения.

12.5. Виртуальные приборы

Очень перспективным направлением в развитии компьютерно-измерительных систем является разработка 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). Плату устанавливают в компьютер (обычно в слот ISA или PCI) или во внешнее дополнительное устройство, под­ключаемое через LPT-порт в комплексе с соответствующим про­граммным обеспечением.

Основную роль в виртуальных приборах играет плата сбора данных с необходимыми метрологическими характеристиками для данной задачи, такими, как разрядность АЦП, быстродейст­вие и динамические погрешности аналого-цифрового канала. При этом необходимо использовать быстрые и эффективные алгорит­мы обработки измеряемой информации, разработать удобную программу сбора и отображения данных под наиболее распро­страненные операционные системы Windows 2000, NT, XP и т.д.

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

Программная часть виртуального прибора может эмулиро­вать (создать) на экране дисплея компьютера виртуальную перед­нюю управляющую панель стационарного измерительного при­бора. Сама управляющая 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, 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.

Рассмотрим виртуальный цифровой запоминающий осцил­лограф ЛАн10М4. Внешний вид программного интерфейса (вир­туальной графической измерительной панели) цифрового вирту­ального осциллографа представлен на рис. 12.4.

Виртуальный цифровой запоминающий осциллограф пред­назначен для наблюдения, регистрации, долговременного хране­ния, анализа и измерения амплитудных и временных параметров различных импульсных, периодических и случайных процессов. Программный пакет «осциллограф», заложенный в память ком­пьютера, обменивается данными с ПСД по готовности прибора к обработке. После выдачи плате специальной команды на сбор данных о исследуемых сигналах, программа ожидает от нее со­общения об окончании процедуры заполнения буферной памяти, встроенной в ПСД. Затем анализируемые сигналы поступают в компьютер, их обработку и исследование полностью передают процессору. Программные файлы позволяют с помощью компью­тера документировать исследуемые процессы, сравнивать сигна­лы с эталонными и отображать сигналы, созданные пользовате­лем в его программах.

Принцип действия платы сбора данных упрощенно можно описать следующим образом. Процесс сбора данных можно ус­ловно разделить на два этапа: запись оцифрованных сигналов в 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). Режим «прямого хода луча» (интерват обновления изображения на экране) зависит от объема памяти записывающего буфера ПСД, быстродействия процессора и ОЗУ компьютера, числа каналов осциллографа.

Несмотря на то, что исследуемые сигналы — аналоговые, 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 осуществляют с помощью «мыши» (или клавиа­туры), а не рукой, как у реальных измерительных приборов.

На рис. 12.5 показан внешний вид программного интерфейса виртуального цифрового анализатора спектра, а на рис. 12.6 — внешний вид программного интерфейса цифрового генератора сигналов.

Виртуальный анализатор спектра может исследовать от 2 до 1024 гармонических составляющих и позволяет вычислить амплиту­ды и фазы гармоник, а также коэффициенты Фурье спектрального представления исследуемого сигнала.

Представленный генератор сигналов ЦГС-31 способен созда­вать широкую сетку частот и имеет много режимов работы, позво­ляющих регулировать различные параметры выходных сигналов.

Характеристики

Список файлов учебной работы