Politechnika Łódzka. Instytut Systemów Inżynierii Elektrycznej. Laboratorium cyfrowej techniki pomiarowej. Ćwiczenie 3

Transkrypt

1 Politechnika Łódzka Instytut Systemów Inżynierii Elektrycznej Laboratorium cyfrowej techniki pomiarowej Ćwiczenie 3 Przetwarzanie danych pomiarowych w programie LabVIEW

2 1. Generator harmonicznych Jako źródło danych do przetwarzania zostanie wykorzystany generator harmonicznych. Generuje on sygnał składający się z sumy trzech harmonicznych (podstawowej, trzeciej i piątej) oraz szumu białego będącego zakłóceniem. Generator można wykonać rozbudowując generator sygnałowy z ćwiczenia 2 (rys. 1). Trzy harmoniczne uzyskuje się poprzez zsumowanie sygnałów z trzech generatorów sygnałowych. Do generacji sygnału szumu białego należy zastosować blok Gaussian White Noise (All Functions Analyze Signal Processing Signal Generation). Sumę można wykonać blikiem Compound Arithmetic (menu Numeric), który po rozciągnięciu umożliwia sumowanie wielu sygnałów. Parametry sygnału: amplitudy poszczególnych harmonicznych: 10V, 2V, 1V, amplituda szumu 0,5V, częstotliwość pierwszej harmonicznej 50,1 Hz, częstotliwość próbkowania Hz. Schemat generatora harmonicznych jest przedstawiony na rysunku 1 a panel na rysunku 2. Rys. 1. Diagram generatora harmonicznych.

3 Rys. 2. Panel generatora harmonicznych. W programie wykorzystano dwa wykresy typu Waveform Graph. Jeden z nich pokazuje sygnał wyjściowy po zsumowaniu harmonicznych a drugi przebiegi składowe wszystkich harmonicznych. W celu wyświetlenia N sygnałów na jednym wykresie należy je zgrupować w tabeli N-wymiarowej. Służy do tego celu blok Build Array (menu All Functions Array). Na wykresach wyłączyć automatyczne skalowanie osi X (kliknąć prawym klawiszem myszki na osi X, z menu odznaczyć Auto Scale X). Zmniejszyć liczbę próbek z na Zapewni to wyświetlenie jedynie 5 okresów sygnału (0,1s czasu) co pozwoli lepiej zaobserwować kształt sygnału. Zapisać wpisane wartości amplitud i częstotliwości w pola Numeric Control jako wartości domyślne, które będą pojawiać się przy każdym otworzeniu programu. Zapis dokonuje się klikając prawym klawiszem myszki w danym polu wartości i wybierając z menu opcję Data Operations Make Current Value Default. 2. Pomiar parametrów sygnału Pomiar podstawowych parametrów sygnału można wykonać za pomocą bloków umieszczonych w menu All Functions Analyze Waveform Measurements, są to między innymi: Basic Averaged DC-RMS pomiar składowej stałej (DC) i wartości skutecznej (RMS), Cycle Average and RMS pomiar wartości średniej i skutecznej z wybranego okresu sygnału wejściowego, numer okresu sygnału może być dowolny, Pulse Measurements przeznaczony głównie do pomiaru przebiegów pulsacyjnych i prostokątnych, pozwala określić okres sygnału i szerokość pulsu (umożliwia pomiar okresu również sygnału sinusoidalnego), Amplitude and Levels pomiar amplitudy rozumianej jako wartość międzyszczytowa, wartości maksymalnej i minimalnej.

4 Extract Single Tone Information pomiar amplitudy największej harmonicznej (standardowo harmonicznej podstawowej) jej częstotliwości i przesunięcia fazowego. W tym przypadku amplituda jest odpowiednikiem wartości maksymalnej. Schemat modelu zawierającego podane bloki oraz panel są pokazane na rysunkach 3 i 4. Rys. 3. Schemat modelu do pomiaru parametrów sygnału Rys. 4. Panel modelu do pomiaru parametrów sygnału.

5 Wymienione bloki realizują właściwie pomiary jeżeli sygnałem wejściowym jest sygnał typu waveform (przebieg czasowy). Standardowo sygnał taki jest na wyjściu generatorów typu waveform z menu Waveform Generation. W przypadku zastosowania generatorów sygnałowych jak na rysunku 1, otrzymany sygnał zawiera jedynie wartości próbek, które w celu otrzymania sygnału waveform, trzeba dodatkowo powiązać z czasem ich pobierania. Można to wykonać stosując blok Build Waveform (menu All Functions Waveform). Po wstawieniu bloku należy go rozciągnąć na 2 pola, kliknąć prawym klawiszem myszki w polu t0 i z menu wybrać Select Item a następnie Y. Pomiar parametrów sygnału można również zrealizować za pomocą bloków Tone Measurements i Amplitude and Level Measurements (menu Signal Analysis). Na rysunku 5 jest przedstawiony schemat z wstawionymi blokami pomiarowymi. Do bloków pomiarowych doprowadzamy sygnał bezpośrednio z sumatora, bloki pośrednie zmieniające typ sygnału na dynamiczny (Convert to Dynamic Data) są tworzone automatycznie. Po wstawieniu bloku pomiarowego do schematu klikamy na niego dwa razy w celu otworzenia okienka (rys. 6), w którym zaznaczamy wielkości do pomiaru. Dla wyjść sygnału wybrać opcję Create Numeric Indicator. Rys. 5. Schemat modelu do pomiaru parametrów sygnału za pomocą bloków Tone Measurements i Amplitude and Level Measurements.

6 Rys. 6. Menu bloku Amplitude and Level Measurements. Blok Measurements i Amplitude błędnie skazuje częstotliwość sygnału. Poprawną wartość otrzyma się mnożąc częstotliwość sygnału przez częstotliwość próbkowania (rys. 5). 3. Analiza widmowa sygnału Analizę widmową sygnału można wykonać za pomocą bloków umieszczonych w menu All Functions Analyze Waveform Measurements, są to między innymi: Harmonic Distortion Analyzer pomiar częstotliwości podstawowej harmonicznej, współczynnika THD oraz składowych harmonicznych. FFT Spectrum (Mag-Phase) oblicza widmo amplitudowe i fazowe sygnału. Widmo można wyprowadzić na wykres lub do tablicy. Tablica przedstawia wartości skuteczne składowych widma obliczane z krokiem równym rozdzielczości skali częstotliwości (standardowo co 1 Hz) (rys. 7, 8). Prażki są wyznaczana przy wykorzystaniu algorytmu FFT dla wybranego typu okna czasowego. Do wyznaczenia widma można również wykorzystać blok Spectral Measurements (menu Signal Analysis) (rys. 7,8). Po dwukrotnym kliknięciu na ten blok otwiera się okienko, w którym można wybrać między innymi czy będą wyświetlane amplitudy czy wartości skuteczne prążków oraz czy skala ma być liniowa czy logarytmiczna (rys. 9).

7 Rys. 7. Schemat modelu do analizy widmowej sygnału. Rys. 8. Panel modelu do analizy widmowej sygnału.

8 Rys. 9. Okienko wyboru parametrów bloku Spectral Measurements. 4. Filtracja sygnału Filtrację sygnału można wykonać za pomocą bloków umieszczonych w menu All Functions Analyze Signal Processing Filters. Są tam umieszczone bloki filtrów SOI i NOI różnego typu. Dla większości z nich wystarczy podać parametry takie jak częstotliwość graniczna, częstotliwość próbkowania, typ filtra i jego rząd a program sam wyliczy współczynniki filtra. Przykładem takiego bloku jest Butterworth Filter, zaimplementowany w modelu pokazanym na rysunku 10. W bloku tym dodatkowo należy określić parametr init/cont, który ustawiony jako True zapewnia ciągłość filtracji sygnału dla kolejnych tablic z danymi (danych z kolejnych sekund przetwarzania). Blok posiada dwa zaciski wejściowe dla częstotliwości granicznych: high cutoff freq i low cutoff freq (górna i dolna częstotliwość graniczna). Pierwsza z nich jest pomijana dla filtrów dolnoprzepustowych. Stosuje się ją tylko w filtrach górnoprzepustowych i pasmowych. Podobnie w filtrze górnoprzepustowym pomija się drugą częstotliwość. Filtr można również zbudować na podstawie współczynników podanych przez użytkownika. Do tego celu można na przykład wykorzystać blok IIR Filter, w którym podaje się tablice współczynników a i b. Do budowy filtra można również wykorzystać blok Filter (menu Signal Analysis). W tym przypadku po dwukrotnym kliknięciu na ten blok otwiera się okienko, w którym można wpisać parametry filtra.

9 Rys. 10. Schemat modelu do filtracji sygnału. Rys. 11. Panel modelu do filtracji sygnału.

10 5. Wykonanie ćwiczenia Wykonać modele zgodnie z punktami 1, 2, 3, 4. Dla modelu z punktu 2 zmienić częstotliwości pierwszej harmonicznej odpowiednio: 50 Hz, 50,1 Hz, 50,5 Hz i sprawdzić jaki to ma wpływ na obliczenia parametrów sygnału. Następnie dla każdej częstotliwości zmienić amplitudy wyższych harmonicznych A3 = 5V, A2 = 2V. Sprawdzić wyniki pomiarów. Wszystkie wyniki zapisać w tabelach. Wykonać analizę widmową sygnału zgodnie z punktem 3 dla częstotliwości i amplitud jak wyżej. Sprawdzić czy wartości prążków są takie same jak zadane. Sprawdzić czy występuje przeciek widma. Wyniki zapisać w tabelach. W modelu z punktu 4 dodać bloki do pomiaru wartości skutecznej i do wyznaczania widma przed i po filtrze. Zmieniać częstotliwość graniczną: 25 Hz, 50 Hz, 100Hz 200 Hz, 300 Hz, 400 Hz, 500 Hz, i dla każdej częstotliwości rząd filtra 1, 2, 3, 4, 5, 6. Sprawdzić jaki wpływ mają zmiany parametrów filtra na sygnał wyjściowy. Wyniki zapisać w tabeli. 6. Literatura 1. Lyons G.: Wprowadzenie do cyfrowego przetwarzania sygnałów; WKiŁ, Warszawa Świsulski Dariusz, Komputerowa technika pomiarowa. Oprogramowanie wirtualnych przyrządów pomiarowych w LabView, Agenda Wydawnicza PAK-u, Warszawa Świsulski Dariusz, Komputerowa technika pomiarowa w przykładach.. Agenda Wydawnicza PAK-u, Warszawa Świsulski Dariusz, Laboratorium z systemów pomiarowych.. Wydawnictwa PG, Gdańsk LabView Measurement Manual, National Instruments 6. Graczyk A., Gołębiowski J., Prohuń T.: Laboratorium komputerowych systemów pomiarowych, Wydawnictwo Politechniki Łódzkiej, Łódź 2004.