Лабораторный практикум

5.1 Виртуальные приборы

Дополнительные материалы к данному разделу Вы можете скачать здесь.

Семь несложных виртуальных приборов (ВП), созданных в программной среде LabVIEW, предлагаются вашему вниманию в конце этой работы. Как правило, каждый виртуальный прибор представляет собой измерительный комплекс [16, 17].

Загрузите программу LabVIEW, либо установите приложения, необходимые для работы виртуальных приборов с операционной системой Windows: Installer и RunTimeEngine7-0 или выше.

Откройте файл 1_Function Generator example.vi (Пример функционального генератора). Убедитесь в работоспособности функционального генератора, щелкнув клавишу. Определите на лицевой панели виртуального прибора поле элементов, относящихся к функциональному генератору и поле элементов, относящихся к осциллографу. Проверьте взаимное соответствие заданных на генераторе и полученных на осциллографе параметров сигнала. Зафиксируйте эти действия в отчете, в виде двух столбиков: слева - задано (форма, амплитуда и частота, установленные на генераторе); справа - получено (форма, амплитуда и частота, полученные на осциллографе).

Откройте файл 2_Sin.vi. Комплекс каких приборов представлен на лицевой панели виртуального средства измерений? Щелкните клавишу. Заполните таблицу данных, кроме последней строки.

Таблица данных

Амплитуда сигнала ( )	Форма сигнала	Значение напряжения на аналоговом вольтметре ( )	Значение напряжения на цифровом вольтметре ( )
1 В	Синусоидальный
	Треугольный
	Пилообразный
	Прямоугольный
	Синусоидальный	220 В

Прокомментируйте различие измеренных значений напряжений для сигналов одинаковой амплитуды, но разной формы.

Какие формы сигналов соответствуют следующим функциональным зависимостям?

Подтвердите свои выводы соответствующими вычислениями и зафиксируйте эти действия в отчете.

Заполните последнюю строку таблицы. Объясните причину возникновения погрешности моделирования.

Откройте файл 3_Formula Waveform example.vi (Пример назначения формы волны через формулу). Запустите виртуальный прибор клавишей. При необходимости синхронизации изображения, щелкните тумблер "reset signal". Выбирайте спектр сигнала, переключая поле "formula selection". Прокомментируйте изменение формы сигнала в зависимости от числа гармонических составляющих (гармоник) в спектре сигнала, задаваемых формулой. Обратите внимание, что уже при двух гармониках, определенным образом подобранных по амплитуде и частоте, сигнал начинает приобретать прямоугольную форму. Можете поэкспериментировать с формой сигнала, набирая формулу в окне "user formula".

Откройте файл 4_Signal Generation and Processing.vi (Генерирование и обработка сигнала). Комплекс приборов, представленных на лицевой панели виртуального средства измерений, можно разделить на два блока. Слева - два задающих генератора ( Input signal 1 и Input signal 2 ). Справа (сверху вниз) два осциллографа и анализатор спектра.

Этим комплексом приборов выполним моделирование измерительных процессов. Проследим трансформацию сигнала в процессе измерения его параметров. При этом будем рассматривать сигнал, влияющую физическую величину внешнюю (помеха) и внутреннюю (полоса пропускания средства измерения).

Пусть Input signal 1 имитирует сигнал, Input signal 2 имитирует помеху; первый осциллограф показывает состояние сигнала и помехи на входе средства измерения; второй осциллограф показывает их состояние на выходе средства измерения; анализатор спектра показывает полосу пропускания средства измерения (вертикальная красная линия) и спектры сигнала и помехи. Спектральные составляющие (гармоники), расположенные левее вертикальной красной линии, находятся в полосе пропускания средства измерения и оказывают влияние на результат измерения. Гармоники, расположенные справа, находятся вне полосы пропускания средства измерения (отфильтровываются), их влияние на результат измерения оказывается незначительным.

Анализируя картину на втором осциллографе, приходим к выводу, что результаты измерений могут быть недостоверны, т.к. вместе с сигналом мы измеряем помеху. Попробуем разнести сигнал и помеху по частоте и по форме, выбрать полосу пропускания средства измерения, чтобы выполнить противоречивые требования: не исказить сигнал и избавиться от помехи.

Частоту сигнала выберем 50 Гц, частоту помехи выберем 200 Гц. Форму сигнала выберем синусоидальной, форму помехи - прямоугольной. Плавно перемещая мышью красную линию анализатора спектра, установим ее между единственной гармоникой сигнала и первой гармоникой помехи. Анализируя картину на втором осциллографе, приходим к выводу, что результаты измерений достоверны, т.к. помеха исчезла (осциллограмма помехи выродилась в прямую), а сигнал остался без искажений.

Какой сигнал легче измерить без искажений, синусоидальный или прямоугольный? Попробуйте выполнить моделирование для прямоугольного сигнала. Попробуйте оставить от прямоугольного сигнала две гармоники, похожа ли картина такого сигнала на сигнал, синтезированный по формуле в виртуальном приборе 3_Formula Waveform example.vi? Прокомментируйте изменение спектра в зависимости от изменения частоты и формы сигналов.

В левой нижней части лицевой панели расположено окно выбора фильтра. Тип фильтра определяет степень подавления вне полосы пропускания и степень искажения в полосе пропускания. Допустим, что моделируемое средство измерения - вольтметр. Будет ли меняться значение напряжения, считываемого с вольтметра, если амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) вольтметра будет принимать разные формы (в данном примере изменение АЧХ эквивалентно выбору фильтра). Объясните причину возникновения основной и дополнительной инструментальной погрешности.

Откройте файл 5_Get Waveform Time Array example.vi (Пример формы волны за период времени). Меняя значения частоты и амплитуды, наблюдайте на экране изменение формы сигнала. Можно ли назвать полученные изображения фигурами Лиссажу? Как измерять параметры такого сигнала?

Откройте файл 6_Pulse Demo (Демонстрация импульса). Запустите виртуальный прибор клавишей. При помощи этого виртуального прибора можно моделировать влияние на результат измерения внешних факторов (регулятором уровня помехи, "Additive Noise" ) и внутренних факторов (выбором порядка фильтра, "Filter Order" ). На осциллографе, расположенном в правой части лицевой панели, красным цветом изображен измеряемый сигнал, а зеленым цветом - тот же сигнал, но искаженный помехами. Необходимо добиться максимального совпадения этих сигналов и, исходя из полученного опыта, сформулировать требования для высокоточных измерений.

В чем, на ваш взгляд, состоит особенность прецизионных измерений, выполняемых в процессе поверки? В процессе поверки выполняют передачу размеров единиц физических величин от эталонов высокого уровня к эталонам нижнего уровня и далее к образцовым и рабочим средствам измерений. Прокомментируйте метрологическую проблему, состоящую в том, что чем с большей точностью стремятся выполнить измерения, тем большее воздействие оказывают на объект измерения, и тем с меньшей точностью могут получить результат измерения.

Откройте файл 7_Function Generator example (Пример функционального генератора). Назовите тип волны в электрическом сигнале: продольная или поперечная. В чем их отличие? Имеет ли значение учет типа волны при определении основных характеристик сигнала: частота, амплитуда, фаза?