Генератор сигналов специальной формы

ГЕНЕРАТОР СИГНАЛОВ СПЕЦИАЛЬНОЙ ФОРМЫ

, ,

Тихоокеанский государственный университет, , т.: (42,

e-mail: *****@

1. Введение

Целью работы является разработка генератора видеоимпульсов и радиоимпульсов специальной формы с регулировкой амплитуды, частоты и скважности, который широко используется для тестирования и калибровки устройств автоматики и связи. Генератор разработан в программной среде LabView7.1, т. к. этот программный комплекс является наиболее простым и доступным способом реализации поставленной задачи. Программный пакет LabView является мощным инструментом исследования, способным заменить целую лабораторию различных приборов и обладает мощными библиотеками функций для решения различных задач. Он включает в себя библиотеки инструментов для сбора данных, обмена данными с устройства GPIB (Многофункциональный Интерфейс фирмы HP), анализа данных, представления данных, хранения обработанных данных на носителях различного типа.

2. Теоретическая часть

Обычно в технических системах информация передается с помощью импульсных сигналов. Встречаются видеоимпульсы и радиоимпульсы. Радиоимпульс отличается наличием частоты заполнения внутри огибающей видеоимпульса. В теории информации доказывается, что эти два типа сигналов различны между собой по спектральным характеристикам. По форме можно различить видеоимпульсы стандартной формы (прямоугольные, треугольные, пилообразные, колоколообразные, трапециевидные, экспоненциальные и др.). Для получения импульсного напряжения или тока применяются генераторы. Форма импульса, на выходе генератора зависит от схемотехнического устройства генератора (генераторы на биполярных транзисторах, генераторы на операционных усилителях). Генераторы должны иметь регулировки основных параметров генерируемых импульсов. Основными параметрами импульса являются амплитуда, длительность импульса, длительность фронта и длительность среза.

Амплитуда импульса Um - наибольшее значение напряжения импульсного сигнала.

Длительность импульса tu - продолжительность импульса во времени.

Длительность фронта tф и длительность среза tс определяют меж­ду уровнями 0,1 и 0,9 от амплитудного значения.

Параметрами последовательности импульсов явля­ются период повторения, частота повторения, пауза, коэффициент заполнения и скважность.

Период повторения импульсов Т - интервал времени между соот­ветствующими точками двух соседних импульсов.

Частота повторе­ния импульсов f1 – величина, обратная периоду f1=1/Т.

Пауза tп - интервал времени между окончанием одного и началом следующего импульсов.

Коэффициент заполнения К3 характеризуется отношением дли­тельности импульсов к периоду их следования К3 = tu/T.

Скважность импульсов Q- величина, обратная коэффициенту за­полнения Q =T/tu.

В программном пакете LabView7.1 есть много различных генераторов сигналов стандартной формы и можно частично реализовать поставленную задачу, используя встроенные ВП. Но весьма сложно добиться желаемого результата от прибора, не зная его внутреннего строения. Кроме того, поставленная задача требовала создания генератора импульсных сигналов произвольной формы, что невозможно было реализовать с использованием стандартных средств. Поэтому было принято решение разработать генераторы требуемой формы с использованием математического аппарата.

Способов реализации генераторов можно привести несколько:

Например, с помощью суммирования гармонических составляющих в один сигнал (ряд Фурье). Но чтобы получить сигнал с требуемыми параметрами, надо четко знать амплитуды и фазы большого числа гармоник. Это сложно и громоздко.

Вторым способом реализации является изучение схемотехнических решений генераторов и попытка построения блок-диаграммы ВП на основе электрической принципиальной схемы реального прибора. Но программная среда LabView не предназначена для работы с элементами электроники.

Третий способ – математическое моделирование сигналов.

Пусть 1(t-t0)- единичная ступенчатая функция, принимающая значение 0 при t < t0 и 1 при t ≥ t0; 0(t-t0)- единичная ступенчатая функция, принимающая значение 1 при t < t0 и 0 при t ≥ t0 (рис. 1)

 

\

Рис.1. Единичная ступенчатая функция

Произведение: 1(t)*0(t-t0) даст одиночный прямоугольный импульс длительностью t0 и амплитудой, равной 1. чтоб регулировать амплитуду:

, (1)

где А – амплитуда.

Для преобразования одиночного импульса в периодическую последовательность с периодом повторения Т формула (1) ставится в цикл, где на каждом k-м шаге импульс сдвигается на 1 период вправо (k=0…n, где n- количество импульсов). получим:

, (2)

где Т - период; n - количество импульсов.

Периодическая последовательность пилообразных импульсов с периодом Т:

(3)

Периодическая последовательность колоколообразных импульсов с периодом Т, при w=π/t0, где t0-длительность импульса (рис. 1):

(4)

Периодическая последовательность треугольных импульсов с периодом Т:

.

(5)

Периодическая последовательность трапециевидных импульсов с периодом Т:

(6)

4. Результаты работы

Рассмотренный выше способ формирования последовательностей импульсов реализован в генераторе, лицевая панель которого изображена на рис.2. получаемые импульсы выводятся на лицевую панель в графические экраны. Некоторые образцы графических экранов так же приведены на рис.3.

 

Рис.2 Лицевая панель виртуального прибора

Описание всех элементов управления и индикации приведены ниже:

Тумблер «питание». Включает и выключает систему.. Регулятор «множитель частоты». При работе в паре с регулятором 4 позволяет устанавливать частоту следования импульсов в диапазоне (20 Гц – 200 КГц). Элемент выбора «сигналы». Позволяет выбрать форму генерируемого видеоимпульса. Регулятор «частота импульсов». Имеет диапазон (единиц. В зависимости от положения регулятора на осциллограмме отображается от 2-х до 20-ти импульсов напряжения. Регулятор «коэффициент пульсации». Устанавливает длительность импульса периодического сигнала, указывая какую часть периода занимает сам импульс. Имеет диапазон (0-1). Длительность импульса вычисляется и отображается на индикаторе. Регулятор частоты заполнения радиоимпульсов. Регулятор «амплитуда». Регулирует амплитуду сигнала в диапазоне (5мВ-5В). Имеет элемент индикации.

а) б)

в) г)

Рис.3 Образцы графических экранов: а) пилообразных импульсов; б) прямоугольных импульсов; в) трапециевидных импульсов; г) треугольных импульсов

Данный прибор способен генерировать следующие сигналы: прямоугольные импульсы, пилообразные импульсы, колоколообразные импульсы, треугольные импульсы, трапециевидные импульсы и т. д. При этом можно регулировать параметры этих импульсов.

Рис.4. Обобщенная блок-диаграмма виртуального прибора

На (рис.4) изображена блок-диаграмма генератора видеоимпульсов и радиоимпульсов стандартной формы с регулировкой амплитуды сигнала, частоты повторения сигнала, частоты заполнения и скважности. В блок – диаграмме использованы структуры: цикл for, структуры case (внешняя и внутренняя). Во внутренней структуре case вложены пять формульных узлов.

а)б) в)

г) д)

Рис.5. Узлы формирования импульсов: а) прямоугольных; б) пилообразных;

в) колоколообразных; г) треугольных; д) трапециевидных.

Работа генератора основана на применении формульного узла (рис.5), встроенного в LabView как удобное средство программирования. Формульный узел совместим с файлами математической среды программирования Maple, что очень расширяет его возможности. Внутри формульного узла реализуется алгоритм формирования сигнала. Для формирования последовательности импульсов внутри формульного узла используется цикл for, который необходим для организации периодической последовательности импульсов. Использование формульного узла позволяет в дальнейшем сделать универсальный генератор сигналов специальной формы.

Использование цикла for внутри формульного узла служит для суммирования n-импульсов, сдвинутых друг относительно друга на 1 период. На каждом k-м шаге значение переменной S(t,), полученное на k-1-м шаге складывается с текущим значением функции. Логика формульного узла устроена таким образом, что для нормального функционирования ВП необходимо на выход узла, помимо полезных сигналов, вывести еще все переменные, объявленные и используемые непосредственно формульным узлом.

С выхода формульного узла снимается текущее значение суммы S(ti), где ti – дискретное значение времени, определяемое внешним циклом for программной среды LabView. В цикле формируется массив S(t), который поступает на вход графических элементов отображения «График видеоимпульсов» и «График радиоимпульсов», где и наблюдается генерируемое напряжение. Для вывода сигнала на внешние устройства предусмотрено общение со встроенным DAQ-блоком.

Внешняя структура-Сase обеспечивает имитацию пуска прибора тумблером «питание». Положение тумблера «Выкл.» характеризуется нулевым напряжением на выходе генератора. Включение питания активизирует внутреннюю структура-Сase , запускающую работу формульного узла.

Формульный узел выдает на выход генератора сигнал S(t), форма которого зависит от состояния элемента управления «сигналы», который в свою очередь регулирует работу внутренней структура-Сase. Внутренняя структура-Сase содержит 5 вкладок, номер которых определяет вид генерируемого сигнала:

1.Частота следования импульсов регулируется элементами управления «частота импульсов» и «множитель частоты».

2.Результирующая частота отображается в элементе «частота сигнала, Гц». Частота преобразуется в период следования Т, и в таком виде соединяется с узлом формул.

3.Амплитуда сигнала регулируется регулятором «амплитуда» и отображается на элементе «амплитуда, В».

4.Длительность импульса регулируется элементом «коэффициент пульсации». Задается доля периода Т, которую занимает длительность импульса, что автоматически исключает ошибку того, что период окажется меньше длительности. На элемент отображения «длительность импульса, с» выводится значение длительности импульса в секундах.

5.«Множитель времени» показывает число, на которое следует умножить значения шкалы времени на осциллограмме, чтобы получить время, соответствующее выставленной частоте. Значение «множителя времени» зависит от положения «множителя частоты».

Использование формульного узла для моделирования в программной среде LabView позволяет делать универсальные виртуальные приборы, возможности которых в дальнейшем можно значительно усовершенствовать. В данном генераторе заложено только пять видов импульсного сигнала с регулировкой амплитуды, частоты следования, скважности и частоты заполнения (у радиоимпульсов) сигнала. Но работа по усовершенствованию этого прибора предполагает предоставление возможности пользователю получать сигнал любой желаемой формы (генератор сигналов специальной формы). Для этого не требуется изменения структуры системы и дополнительного оборудования.

5.  Оборудование

Для создания генератора специальных сигналов (т. е. сигналов видео и радиоимпульсов) необходим программных комплекс LabView7.1, аппаратные средства аналогового ввода-вывода DAQ National Instrument, утилиты конфигурации Measurement & Automation Explorer. В программном комплексе LabView есть встроенные драйвера, управляющие устройствами сбора данных (DAQ). Среда LabView включает в себя набор подпрограмм ВП, позволяющих конфигурировать, собирать и посылать данные на DAQ-устройства. Основной задачей, решаемой DAQ-системами, является задача измерения или генерации физических сигналов в реальном времени. Работа генератора осуществляется с использованием модуля сбора данных NI-6014 совместно с коннекторным блоком NI BNC-2110.

6. Преимущества технологий National Instruments

Среда LabView оказалась удобной и простой в применении. LabView отличается от прикладных программ в одном важном отношение: другие системы программирования используют текстово-ориентированные языки, для создания строк исходного кода программ, а LabView использует графический язык программирования. Кроме того приборы, сделанные в LabView можно применять для работы с внешними устройствами. LabView является простым и экономичным способом решения поставленной задачи.

Литература:

1. Тревис Дж. LabVIEW для всех. - М: ДМК Пресс; Прибор Комплект, 20с.

2. LabVIEWтм 7 Express. Базовый курс 1. Издательство National Instruments, 2003.

3. LabVIEW 7.0: Справочник по функциям. - М.: ДМК Пресс; Прибор Комплект, 2005.-512с.

4. , , Панов B. C. Использование виртуальных приборов LabVIEW. - М.: Радио и связь, 199с.

5. Информационно-измерительная техника и технологии: Учебник для вузов / Под ред. .- М.: Высшая школа, 2002.

6. Клаассен измерений. Электронные методы и приборы в измерительной техники.- М.: Постмаркет, 2000.

7. Нефедов радиоэлектроники – М: Высшая школа, 2000г.

8. Берикашвили техника – М: Academia, 2004г.