Використання комп’ютерного обладнання для характеристики аналового сигналу фізичного процесу

Використання  комп’ютерного обладнання для характеристики аналового сигналу фізичного процесу

 

Характерною рисою сьогодення є стрімке вдосконалення технічного обладнання, яке практично можна використовувати  для навчання. Використання інформаційних технологій призвело до появи нових засобів проведення експерименту та видозміни традиційних. Серед таких засобів інтерактивні комп'ютерні моделі, інтерактивне відео, що стали основою віртуальних експериментів. Завдяки використанню комп'ютера натурний експеримент також набув нових якостей.

Останнім часом при дослідженнях фізичних процесів все частіше використовують комп’ютер та всі імітаційні моделювання, які можна здійснити користуючись ним. Для проведення реального експерименту, з використанням мультимедійних технологій необхідні наступні складові: об’єкт дослідження, датчики–перетворювачі, аналого цифрові перетворювачі (АЦП), комп’ютер та відповідне програмне забезпечення. В такому випадку дослідник спостерігає реальний експеримент і паралельно бачить отримані дані від експерименту у текстовому, числовому, графічному, табличному вигляді.

За минуле десятиліття в світі створене більше сотні типів АЦП, відмінних по функціональному складу і призначенню, конструктивним, електричним і експлуатаційним характеристиках. Відоме їх застосування спільно з мікропроцесорами (МП) і мікро ЕОМ у складі пристроїв сполучення між об'єктами і інтерфейсом, а також використання як самостійних функціональних елементів у вузлах і блоках.

В даний час застосовують різні  типи АЦП, що містять в своєму складі МП (мікропроцесори), які виконують обробку даних. Очевидно, що обробка даних – одна із головних функцій МП, яка включає як маніпулювання так і обрахунок даних. Іншою функцією МП є управління системою. Схеми управління дозволяють декодувати і виконувати програми – набір команд для обробки даних. Схеми синхронізації і керування задають порядок дій процесора, для виконання функцій синхронізації їм необхідні тактові імпульси, що постійно поступають.

Як вже було зазначено вище, в  ході експерименту використовують датчики (пневматичні, електричні, механічні; датчики швидкості, прискорення, сили, температури, тиску та багото інших), аналого цифрові перетворювачі сигналу (АЦП).

Датчик – це елемент вимірювального, сигнального, регулюючого чи керуючого пристрою, що перетворює контрольовану фізичну величину (температуру, тиск, частоту, силу світла, механічну напруженість, електричну напругу, силу струму, і т. д.) в сигнал, зручний для вимірювання, передачі, зберігання, обробки, реєстрації, а іноді і впливу на контрольовані процеси.

Аналого-цифровий перетворювач (англ. analog-to-digital converter (скорочено ADC)) —пристрій, що перетворює вхідний аналоговий сигнал в дискретний код (цифровий сигнал).

Розрядність АЦП характеризує кількість дискретних значень, які перетворювач може видати на виході. Вимірюється в бітах. Наприклад, АЦП, здатний видати 256 дискретних значень (0..255), має розрядність 8 бітів, оскільки    2⁸ = 256.

Розрядність може бути також  визначена в величинах вхідного сигналу і виражена, наприклад, в вольтах. Розрядність за напругою дорівнює напрузі, що відповідає максимальному вихідному коду, який ділиться на кількість вихідних дискретних значень.

 Наприклад:

Діапазон вхідних значень = від 0 до 10 вольт

Розрядність АЦП 12 бітів: 2¹² = 4096 рівнів квантування

Розрядність по напрузі: (10-0)/4096 = 0.00244 вольт = 2.44 мВ

На практиці розрядність АЦП  обмежена відношенням сигнал/шум  вхідного сигналу. При великій інтенсивності  шумів на вході АЦП розрізнення  сусідніх рівнів вхідного сигналу стає неможливим, тобто погіршується розрядність. При цьому реальний досяжний дозвіл описується ефективною розрядністю (effective number of bits — ENOB), яка менше, ніж реальна розрядність АЦП. При перетворенні сильно зашумленного сигналу молодші біти вихідного коду практично непридатні, оскільки містять шум. Для досягнення заявленої розрядності відношення С/Ш вхідного сигналу повинне бути приблизно 6 дБ на кожен біт розрядності.

Щоб мати можливість провести дані експерименти необхідно мати апаратне і програмне  забезпечення.

Апаратне забезпечення: Комплекс аналого цифрових перетворювачів (АЦП) являє собою чотири десятирозрядних АЦП. На передній панелі міститься чотири входи, до яких можна під’єднувати датчики. З правого боку розміщено роз’єм для підключення до комп’ютера типу USB. Кожен із чотирьох аналого цифрових перетворювачів є паралельним. Що дає змогу вимірювати швидкоплинні процеси (такі як затухання коливань в коливальному контурі).

До базового комплекту входять: електронний блок, датчик температури -50+150 ^оС, динамометр 3Н (терези 300 г), вольтметри ±2,5В; ±25 В, датчик електричного струму ±0,1 А; ±5 А, датчик тиску диференціальний 50 кПа, датчик тиску абсолютний 10-115 кПа, датчик магнітного поля ±100 мТл, датчик вологості, датчик освітленості, частотомір, комплект з’єднувальних дротів та клем, кабель USB A-B, програмне забезпечення.

Програмне забезпечення: До програмного забезпечення належить програма “Навчальна лабораторія”, набір записів ходу експерименту, відео сюжетів, текстових описів експериментів.

Програма “Навчальна лабораторія” призначена для градуювання датчиків, встановлення режиму експерименту, проведення експерименту та показ  результатів  у реальному часі, збереження та експорт результатів.

При відкритті програми “Навчальна лабораторія” користувач бачить наступне діалогове вікно програми.

 

 

 

 

 

 Для проведення  експерименту необхідно обрати  “робота з вимірювальним приладом”.

Для проведення самого експерименту слід натиснути “Проведення”.

Далі для налагодження програми під конкретний експеримент слід обрати у верхній частині  вікна “Вид”, далі “налагодження”.

Відкриється діалогове вікно програми налагодження.

 

В цьому вікні оберемо зверху вкладку “Пристрій”.

Тут під образом будемо розуміти всі налаштування окремого датчика.

Для налагодження нового датчика необхідно викликати контекстне меню на обраному вході (ПКМ), та обрати опцію “створити новий” або обрати вхід (ЛКМ) і  натиснути кнопку “додати”. Після чого виділити створений образ. Вводимо назву датчика. В поле вимірювальної величини  вводимо фізичну величину, яка буде вимірюватися. Наявність прапорця поруч з надписом “цифровий дисплей” відповідає за відображення даних вимірювання у вигляді цифрового табло. Наявність прапорця поруч з надписом “графік” означає, що буде використовуватися графічний режим відображення вимірювальних даних у реальному часі. Нижче можна вказати, функцією якої величини буде вимірювальна величина.

Так можна обрати режим  коли вимірювальна величина буде функцією від часу. При наявності більше однієї вимірювальної фізичної величини можна одну фізичну величину подати як функцію іншої вимірювальної фізичної величини.

Так наприклад можна  вимірювати зміну сили струму в колі, як функцію часу, а можна вимірювати силу струму як функцію температури. Відповідно при збережені у документ Excel, поряд з вимірювальною величиною буде вноситися час вимірювання або інша вимірювальна величина.

Таким чином вимірювальну величину можна представити як функцію  часу або іншої вимірювальної величини.

   “Коефіцієнт демпфірування ” – важливий параметр, який вказує як буде вимірювальна величина усереднюватися з часом і в якій мірі. Так коефіцієнт демпфірування 1 означає що додаткові усереднення відбуватись не будуть. При коефіцієнті демпфірування 2 значення вимірювальної величини буде усереднюватися по кожних двох послідовних виміряних значення величини. Тобто буде братися середнє арифметичне кожних двох послідовних значень.

Коефіцієнт демпфірування  корисно використовувати при наявності шумів у вимірювальному сигналі.

Так, наприклад, прилади, що споживають змінний струм випромінюють електромагнітні хвилі. А при  використанні в якості сенсора для  датчика котушку з провідника, в ній окрім корисного сигналу  буде збуджуватись Е.Р.С. індукції в наслідок дії електромагнітних хвиль від зазначених приладів. Знаючи промислову частоту зміни напруги в мережі (50Гц) можна розрахувати необхідну частоту вимірювань і коефіцієнт демпфірування.

,  тоді  . Відповідно обравши інтервал між вимірюваннями слід обрати 0,02 с і коефіцієнт демпфірування 2. Тоді кожне наступне вимірювання буде проводтись через період коливання електромагнітних хвиль, що випромінюють сторонні прилади. А коефіцієнт демпфірування 2 забезпечить середнє значення напруги в вимірювальній котушці за той же період.

Таким чином можна  переважно позбутися впливу шуму.

Можна обрати форму вимірювального сигналу (напруги) – постійна та змінна напруга.

Прапорець біля пункту “Градуювання” вказує на градуювання датчика в ручному режимі. Для цього необхідно натиснути кнопку справа від пункту “градуювання”.

Після натиснення кнопки відкриється наступне діалогове  вікно.

При градуюванні датчика  виділимо два наступні випадки:

• вимірювальна величина змінюється лінійно;
• вимірювальна величина змінюється нелінійно.

Якщо вимірювальна величина змінюється лінійно то для градуювання  достатньо двох контрольних показів  приладу і відповідні їм еталонні значення вимірювальної величини.

Для градуювання слід паралельно датчику виміряти фізичну  величину еталонним приладом, після  чого в поле “покази приладу” потрібно ввести числове значення, яке відображається зверху жирним шрифтом. А в поле “Еталон” значення вимірювальної величини на еталонному приладі.

Потім слід фізично змінити  значення вимірювальної величини (наприклад, якщо вимірюється температура тіла, то нагріти тіло) і знову внести покази приладу в поле “Покази  приладу”, а значення вимірювальної  величини. Яке показує еталонний вимірювальний прилад, у поле “Еталон”.

Якщо вимірювальна величина змінюється нерівномірно, то зрозуміло  що двох контрольних значень буде недостатньо. В такому випадку чим  більше контрольних значень буде занесено до таблиці, тим менша буде різниця при вимірюванні у градуйованого приладу і еталонного.

У вікні градуювання  міститься повзунок.

Його призначення можна  продемонструвати на наступному прикладі.

Нехай потрібно вимірювати значення напруги від 4В до 5В. В  такому випадку необхідно використовувати діапазон вимірювання від 0 до 5В. Маючи десяти розрядний аналого цифровий перетворювач ( ), вся шкала (від 0 до 5В) буде ділитися на 1024 дискреттні значення. Тоді на діапазон від 4В до 5В буде припадати (тут округлено до цілих)  дискретних значень. Відповідно використовується тільки п’ята частина діапазону АЦП.

Натиснувши вкладку  “Активація вимірювання” відкриється  наступне діалогове вікно.

В цьому діалоговому  вікні можна задати наступні параметри:

• активація вимірювання по досягненні заданої амплітуди вимірювальної величини одного з входів.
• задання часу вимірювання (необмежено чи певний час)

Час вимірювання зручно вказувати при відомому часі проведення експерименту. Вимірювання фізичних величин відбувається через визначені інтервали часу.

Крім того при наявності  шумів, а шуми існують майже завжди, не бажано час вимірювання задавати меншим аніж період зміни додаткового  сигналу (шуму). Шуми, як правило, проявляють себе як коливання напруги, чи сили струму, як наслідок існування в приміщенні змінного електромагнітного поля. Звідси випливає умова якісних вимірювань. При зміні вимірювальної фізичної величини з частотою меншою ніж приблизно 50 Гц результати вимірювання будуть значно кращими.  Відповідно сигнал від датчика має бути більшим за сигнал шуму. При досить низькому рівню сигналу (сигнал від термопари) для підвищення точності вимірювання можна скористатися додатковим підсилювачем.

 

Таким чином, розробка аналогових пристроїв АЦП на  дозволяє вирішити ряд актуальних завдань (проведення тих експериментів, які не можливо досить якісно охарактеризувати без використання комп’терного обладнання), рішення яких потрібно для розвитку цього перспективного наукового напрямку й актуально для розробки високоточних вимірювальних систем.