ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ/ 6.Электротехника и радиоэлектроника

Лабораторная работа для измерения спектра

Кондрук Дмитрий Николаевич

Национальный технический университет Украины «КПИ»

Факультет АКС, кафедра ИИТ.

Развитие современных информационных технологий и использование глобальной сети Internet в учебном процессе создали новую форму обучения - дистанционное образование (ДО). Одной из важнейших сторон развития ДО является создание компьютерных лабораторных практикумов, которые позволяют использовать в дистанционном режиме информационные и лабораторные ресурсы. Разработка лабораторных практикумов локального и удаленного доступа позволяет внедрить в учебный процесс практические занятия и лабораторные работы с использованием дорогого и порой уникального оборудования, недоступного всем учебным заведениям.

При разработке компьютерного лабораторного практикума возможны два подхода:

Первый - лабораторные практикумы на базе математических имитационных моделей, которые обучающиеся выполняют с использованием специализированного программного обеспечения, например: MathCAD, Electronics WorkBench и другие, имитирующего функционирование объекта исследования в соответствии с математической моделью, заложенной в алгоритм работы программы-имитатора.

Второй - лабораторные практикумы на базе лабораторного оборудования, выполняемые на лабораторном стенде с использованием специализированного программного обеспечения, дающего возможность удаленного управления физическими объектами, сбора, передачи и отображения на виртуальных приборах необходимой информации.

Примером лабораторной работы реализующей второй подход может служить созданная на кафедре информационно-измерительной техники факультета АКС НТУУ «КПИ» лабораторная работа для измерения спектра

сигналов в составе курса «Основы измерительных технологий».

Лабораторная работа для измерения спектра (рисунок 3) создана на базе учебного лабораторного стенда по измерительным технологиям (рисунок 1).

Рисунок 1 – обобщенная структурная схема лабораторного стенда по измерительным технологиям

Разработанная структурная схема экспериментальной установки
(Рисунок 2) является открытой и модульной, что позволяет увеличить либо уменьшить количество лабораторных работ без существенного изменения аппаратной части стенда.

Аналоговые коммутаторы на входе (SWn.1) и выходе (SWn.2) схем измерений (Ln) позволяют подключать различные лабораторные работы к одним и тем же воздействующим сигналам и каналам аналогового ввода.

Подключение схемы измерения каждой лабораторной работы к каналам аналогового ввода/вывода USB-6008 осуществляется при формировании соответствующего цифрового кода модулем USB-6501.

Лабораторный стенд (рисунок 2) включает:

- экспериментальную установку;
- источник стабилизированного постоянного напряжения (БП);
- рабочую станцию на базе персонального компьютера с выходом в Интернет/Интранет.

Рисунок 2

В качестве примера рассмотрим структурную схему лабораторной работы для измерения спектра (рисунок 3) созданную на базе данного лабораторного стенда.

Рисунок 3 – структурная схема лабораторной работы для измерения спектра

Работа лабораторного стенда в режиме измерения спектра организована следующим образом: аналоговые сигналы F1 и F2 с выхода кодоуправляемого генератора (КГ) поступают на сумматор, затем модулированный сигнал F1+F2

с выхода сумматора преобразуются в цифровой при помощи АЦП в составе DAQ-устройства NI USB-6008, после данные передаются через USB интерфейс

программному обеспечению персонального компьютера. Коммутаторы К1 и К2 позволяют подключать к лабораторной работе воздействующие сигналы и каналы аналогового ввода. Управление кодоуправляемым генератором осуществляется при помощи персонального компьютера посредством модулей ввода/вывода USB-6008/6501.

Полученные измерительные данные обрабатываются с помощью программного обеспечения, разработанного в среде LabVIEW 8.0, а результаты измерений в удобной для оператора форме отображается на передних панелях виртуальных приборов.

Схема соединения приборов для измерения спектра приведена па рисунке 4.

Рисунок 4

Кодоуправляемый генератор выполнен на базе цифрового синтезатора частоты AD9833 производства Analog Devices и позволяет сформировать переменное напряжение синусоидальной, треугольной и прямоугольной формы в диапазоне частот от 0 до 1 МГц, амплитуда сигналов регулируется в диапазоне от 0 до 10 В, управление генератором осуществляется при помощи виртуальной лицевой панели.

Для выполнения операции суммирования двух сигналов применяется аналоговый сумматор, физически реализованный на основе операционного усилителя.

Интерфейс пользователя лабораторной работы для измерения спектра разработан в среде LabVIEW 8.0 и представлен на рисунке 5.

Рисунок 5

Разработанный интерфейс лабораторной работы позволяет наблюдать форму модулированного сигнала на выходе сумматора при помощи виртуального осциллографа. Используя ручки на панели осциллографа можно устанавливать необходимый масштаб по амплитуде, а также изменять масштаб по времени.

Анализ модулированного сигнала в частотной области выполняется при помощи анализатора спектра, лицевая панель которого приведена на рисунке 4.

Осуществление необходимых измерений и наблюдений производится по экрану, который снабжен шкалой, для измерений по вертикали и горизонтали.

Выбор диапазона частот от 10 Гц до 1 kГц для анализа осуществляется при помощи соответствующих кнопок. Разработанный анализатор имеет разрешение по частоте не менее 1 Гц.

При выполнении лабораторной работы студентам предлагается выполнить два опыта:

Опыт 1 - Измерение спектра модулированного сигнала, который позволяет

измерить амплитуды составляющих модулированного сигнала.

Опыт 2 - Исследование разрешающей способности по частоте анализатора спектра в зависимости от объема выборки и типа временного окна.

Для обеспечения самостоятельной работы студентов были подготовлены методические указания по работе с лабораторным стендом и выполнения лабораторной работы для измерения спектра.

Благодаря использованию оборудования National Instruments и программного продукта LabVIEW лабораторные занятия проводятся как непосредственно в учебной лаборатории, так и удаленно с использованием сетевого доступа.

Лабораторная работа для измерения спектра была апробирована в учебном процессе в рамках локальной сети НТУУ «КПИ» и используется в системе дистанционного обучения кафедры информационно-измерительной техники факультета АКС НТУУ «КПИ».

Дальнейшим развитием лабораторного стенда по измерительным технологиям является разработка дополнительных модулей для расширения перечня лабораторных экспериментов, а также создание на его основе дистанционных курсов с применением мобильных технологий (мобильный телефон, смартфон, КПК).