WIRTUALNE PRZYRZĄDY POMIAROWE W LABORATORIUM UKŁADÓW ELEKTRONICZNYCH WAT

Transkrypt

1 Materiały XXXVI Międzyuczelnianej Konferencji Metrologów MKM 04 Wojskowa Akademia Techniczna Wydział Elektroniki, Instytut Podstaw Elektroniki WIRTUALNE PRZYRZĄDY POMIAROWE W LABORATORIUM UKŁADÓW ELEKTRONICZNYCH WAT Celem referatu jest prezentacja wykorzystania wirtualnych przyrządów pomiarowych we współczesnej dydaktyce. W referacie zaprezentowano próbę usystematyzowania podziału przyrządów pomiarowych ze względu na stopień automatyzacji i komputeryzacji. W zasadniczej części referatu przedstawiono praktyczne wykorzystanie wybranych przyrządów wirtualnych, które zostały stworzone specjalnie dla potrzeb dydaktycznych, w Laboratorium Układów Elektronicznych na Wydziale Elektroniki WAT. VIRTUAL INSTRUMENTS IN LABORATORY OF ELECTRONIC CIRCUITS MUT The aim of the paper is to present virtual measurements instruments in modern teaching. The paper presents a classification of measurements devices from the point of view of the level of automation and computerization. In the main part of the paper application of chosen virtual instruments in presented. The instruments have been created in Laboratory of Electronic Circuits on the Faculty of Electronics Military University of Technology. 1. WSTĘP Zrozumieniu roli elektroniki w eksperymencie służą aplikacje, z których jedne modelują procesy towarzyszące przetwarzaniu sygnałów elektrycznych, inne symulują funkcjonowanie wybranych urządzeń. Ich zadaniem jest m. in. zilustrowanie zasad funkcjonowania różnych przyrządów elektronicznych, wskazanie przyczyn zniekształceń sygnałów elektrycznych przy przechodzeniu przez układy nieliniowe, przedstawienie zachowania się układów i sygnałów w dziedzinach czasu i częstotliwości oraz wpływu szumu. Przedmiot Symulacja układów i systemów elektronicznych ma za zadanie przedstawić cel i możliwości stosowania symulacji komputerowej w elektronice, jej metody oraz narzędzia programowe. Zajęcia laboratoryjne z tego przedmiotu mają zaznajomić studentów z wybranymi programami służącymi do symulacji komputerowej, zapoznać z podstawami ich działania i nauczyć podstaw ich obsługiwania. Student po takim kursie powinien umieć sformułować problem i wskazać cel modelowania, przygotować dane wejściowe, utworzyć model, wybrać narzędzie do programowania, zaprogramować model, ocenić poprawność modelu, przygotować eksperymenty symulacyjne i je przeprowadzić oraz opracować i zinterpretować otrzymane wyniki. Jedno z ćwiczeń laboratoryjnych realizowanych w ramach tego przedmiotu ma na celu ilustrację wykorzystania przyrządów wirtualnych.

2 EWOLUCJA PRZYRZĄDÓW POMIAROWYCH Ewolucja przyrządów pomiarowych następowała wraz z rozwojem nauki i techniki. Zmianie ulegały zarówno sposoby przetwarzania sygnału, metody konstruowania przyrządów, jak i sposoby korzystania z urządzeń pomiarowych oraz stopień ich wzajemnej integracji. Pierwszą generacją przyrządów pomiarowych były tradycyjne, sterowane ręcznie, przyrządy analogowe. Odczyt wyniku przez użytkownika polega na porównaniu stopnia wychylenia się wskaźnika z odpowiednią skalą. Wprowadzenie bloku cyfryzacji sygnału doprowadziło do powstania przyrządów drugiej generacji. W przyrządach cyfrowych wyeliminowany został subiektywizm odczytu wyniku, lecz nadal pozostał ręczny sposób sterowania przyrządem. Jako przyrządy trzeciej generacji można traktować przyrządy systemowe, które oprócz pracy w trybie autonomicznym jako samodzielne urządzenia pomiarowe mogą być zdalnie sterowane dzięki wyposażeniu ich w kanały cyfrowej komunikacji zewnętrznej. Sterowanie takich przyrządów odbywa się poprzez odpowiedni interfejs, najczęściej poprzez przesyłanie z urządzenia sterującego pracą przyrządu (komputera) zestawu instrukcji sterujących do interpretera tych komend w przyrządzie. Standaryzacja interfejsów znacząco wpłynęła nie tylko na dalszy rozwój i ewolucję przyrządów pomiarowych, lecz również na upowszechnienie się systemów pomiarowych. Ostatnią, czwartą generacją są przyrządy wirtualne. Przyrząd wirtualny jest rodzajem inteligentnego urządzenia będącego połączeniem odpowiednio dostosowanego sprzętu pomiarowego z komputerem ogólnego przeznaczenia i przyjaznym dla użytkownika oprogramowaniem, które umożliwia współprace z komputerem na zasadach takich jakby obsługiwano tradycyjny przyrząd autonomiczny [1]. Główną zaletą takiego rozwiązania jest elastyczność wynikająca z faktu, że o funkcjonalności urządzenia decyduje głównie oprogramowanie. 3. KLASYFIKACJA WIRTUALNYCH PRZYRZĄDÓW POMIAROWYCH Prekursorem w dziedzinie przyrządów wirtualnych były dwie czołowe amerykańskie firmy zajmujące się miedzy innymi produkcją sprzętu pomiarowego (Hewlett-Packard) oraz oprogramowania związanego z pomiarami (National Instruments). Pierwsza z nich uznała, że przyrząd wirtualny to urządzenie wykorzystujące komputer do przetwarzania i wyświetlania wyników pomiarów. Druga nazwała przyrządem wirtualnym warstwę programową i sprzętową dodaną do komputera ogólnego przeznaczenia tak, aby użytkownik mógł współpracować z komputerem w taki sposób, jakby współpracował z przyrządem pomiarowym. Ta niejednoznaczność, a często i pewna niekonsekwencja w stosowaniu terminologii, doprowadziła do tego, że obecnie różne konfiguracje architektury przyrządów

3 Wirtualne przyrządy pomiarowe w Laboratorium Układów Elektronicznych WAT 375 pomiarowych są nazywane przyrządami wirtualnymi. Można w tej dziedzinie wyróżnić trzy grupy [1]. Pierwszą stanowią fizycznie istniejące przyrządy autonomiczne sterowane za pomocą komputera wyposażonego w kartę dedykowanego interfejsu (np. GPIB czy RS 232). Graficzny interfejs użytkownika umożliwia wygodne zarządzanie poszczególnymi przyrządami oraz tworzenie bardziej złożonych systemów pomiarowych. Drugą grupę przyrządów wirtualnych stanowią komputery wyposażone w kartę akwizycji danych, bezpośrednio współpracującą z magistralą mikrokomputera. W tej grupie nie ma już autonomicznego przyrządu pomiarowego. Są tylko jego poszczególne elementy, zaś płytę czołową symuluje panel graficzny na ekranie monitora. Taki przyrząd obsługiwany jest już całkowicie za pomocą komputera. Trzecią grupę przyrządów wirtualnych stanowią same w sobie graficzne środowiska programowe. Nie można tu wyróżnić nie tylko przyrządu pomiarowego, ale nawet żadnego jego elementu. Przyrząd od początku do końca został stworzony z wykorzystaniem programu. Dane pomiarowe do takiego przyrządu mogą pochodzić z plików dyskowych utworzonych podczas rzeczywistych pomiarów na odległym stanowisku pomiarowym. Choć nazywanie ostatniej grupy przyrządami wirtualnymi budzi wiele kontrowersji, to znalazły one jednak szerokie zastosowanie do prezentacji symulacji procesów fizycznych, a ze względu na stosunkowo niski koszt są niezwykle przydatne w dydaktyce. Przyrządy wirtualne z trzeciej grupy pełnią również istotną rolę podczas realizacji badań naukowych w dziedzinie medycyny. M.in. pozwalają mierzyć wybrane wskaźniki, np. momenty statystyczne wyższych rzędów, określonych sygnałów biomedycznych zebranych w czasie trwania choroby, w celu dokonania np. adekwatnej klasyfikacji. Tworzenie przyrządów wirtualnych może być realizowane na dwa sposoby. Chronologicznie pierwszy sposób polega na pisaniu od podstaw programu obsługi przyrządu systemowego lub karty pomiarowej przy wykorzystaniu języków wysokiego poziomu (Pascal, C ) w środowiskach takich jak np. Delphi czy Visual C. Drugi sposób opiera się na wykorzystaniu dużych środowisk programowych, które integrują w sobie funkcje sterowania pracą systemu, gromadzenia i przetwarzania danych pomiarowych oraz prezentacji wyników. Środowiska takie oferują ponadto języki programowania wyższego rzędu (graficzne), różnego rodzaju edytory, rozruszniki (ang. debugger) a także rozbudowane mechanizmy wspomagające (a zarazem upraszczające) obsługę aparatury pomiarowej i ułatwiające pisanie własnych programów sterujących pracą całego systemu. Takie pakiety programowe nazywa się zintegrowanymi środowiskami pomiarowymi [2]. Na rynku istnieje kilka takich pakietów. Wiodącą rolę na tym polu odgrywa firma National Instruments z LabWindows i korzystającym z języka graficznego LabVIEW [3]. Znaczącą pozycję zajmuje również firma Agilent Technologies z produktem Agilent Vee [4], który, podobnie jak LabVIEW umożliwia tworzenie programu przy użyciu symboli graficznych.

4 376 LabVIEW (Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench) jest nowoczesnym narzędziem stosowanym do oprogramowania systemów pomiarowych. Integralną częścią środowiska LabVIEW jest graficzny język programowania, nazywany językiem G. W odróżnieniu od klasycznych języków programowania (Pascal lub C), w których polecenia umieszcza się w kolejnych wierszach, LabVIEW tworzy program w postaci diagramu, na którym poszczególne operacje przedstawione są w postaci symboli połączonych zgodnie z przepływem danych. W znacznym stopniu ułatwia to tworzenie przez użytkownika żądanych aplikacji i jest zbieżne z naturalnym zapisem stosowanym powszechnie przez inżynierów i naukowców. Środowisko programowania LabVIEW z powodzeniem może służyć opracowaniu materiału ilustracyjnego pomagającego w zrozumieniu zagadnień istotnych z punktu widzenia techniki pomiarowej. 4. WIRTUALNE PRZYRZĄDY POMIAROWE W LABORATOTIUM UKŁADÓW ELEKTRONICZNYCH Ograniczona baza laboratoryjna sprzętu pomiarowego wielu pracowni nie pozwala obecnie na przeprowadzanie szeregu badań, bardzo zawężając możliwości dokonywania pomiarów. Potrzeba nadążania za współczesnymi rozwiązaniami techniki badawczej przy jednoczesnej minimalizacji kosztów skłania do podjęcia prac nad stworzeniem przyrządu pomiarowego, którego możliwości dorównywałyby przyrządom specjalistycznym, gwarantując jednocześnie niezbyt wygórowana cenę. Dzięki zastosowaniu zintegrowanego środowiska pomiarowego możliwe jest wzbogacenie tworzonego stanowiska pomiarowego opartego na klasycznych przyrządach o dodatkową, bardzo szeroką grupę przyrządów wirtualnych. Umożliwiają one zastąpienie całej gamy drogich specjalistycznych przyrządów badawczych. Poniżej przedstawiono kilka wybranych przyrządów wirtualnych wykorzystywanych w procesie dydaktycznym w Instytucie Podstaw Elektroniki WAT Analizatory charakterystyk częstotliwościowych i czasowych Przykładem wirtualnych przyrządów pomiarowych z pierwszej grupy są wirtualne analizatory małosygnałowych charakterystyk częstotliwościowych oraz charakterystyk czasowych [5]. Służą one do badania parametrów wzmacniaczy RC, układów bazujących na wzmacniaczach operacyjnych oraz amplifiltrów. Budowę tych przyrządów oparto na dwóch autonomicznych przyrządach pomiarowych: generatorze Agilent 33120A, pełniącym rolę źródła wymuszającego oraz woltomierzu Agilent 34401A. Uzupełnieniem analizatora jest cyfrowy oscyloskop Agilent Przedstawiony na rys. 1 analizator charakterystyk częstotliwościowych umożliwia pomiar amplitudowych i fazowych charakterystyk częstotliwościowych dla różnych konfiguracji badanych układów. Małosygnałowe parametry badanych układów laboratoryjnych mierzy się

5 Wirtualne przyrządy pomiarowe w Laboratorium Układów Elektronicznych WAT 377 w funkcji położenia punktu pracy elementu aktywnego, rezystancji generatora i obciążenia, głębokości ujemnego sprzężenia zwrotnego, itd. Rys. 1. Analizator małosygnałowych charakterystyk częstotliwościowych Fig. 1. Analyzer of small signal frequency characteristics Uzupełnieniem ćwiczenia jest pomiar charakterystyk czasowych. Przedstawiony na rys. 2 wirtualny oscyloskop umożliwia nie tylko prezentowanie kształtu odpowiedzi czasowych na wybrane wymuszenie, lecz również pomiar zwisu i czasu narastania odpowiedzi czasowej. Rys. 2. Analizator charakterystyk czasowych Fig. 2. Transient characteristics analyzer

6 378 Ekrany obu analizatorów składają się z okien wykresów charakterystyk oraz panelu sterująco informacyjnego, umożliwiającego wprowadzanie warunków przeprowadzanych pomiarów, sterowanie procesem pomiarowym oraz prezentację legend wykreślanych charakterystyk i wyników pomiarów Analizator sygnałów zmodulowanych amplitudowo Przykładem wirtualnego przyrządu pomiarowego z drugiej grupy jest analizator sygnałów zmodulowanych amplitudowo zbudowany w oparciu o kartę pomiarową PCI-DAS4020/12 firmy Measurement Computing Corporation służącą do akwizycji sygnałów AM. Panel czołowy przyrządu, przedstawiony na rys. 3, oprócz wizualizacji przebiegu czasowego i widma sygnału z modulacją amplitudy umożliwia pomiar podstawowych parametrów sygnału AM. Rys. 3. Analizator sygnałów AM Fig. 3. Analyzer of AM signals 4.3. Wirtualny analizator sygnałów zmodulowanych Do trzeciej grupy wirtualnych przyrządów pomiarowych należy przedstawiony na rys. 4 wirtualny analizator sygnałów zmodulowanych. Przyrząd ten, służąc do obserwacji wpływu rodzaju i parametrów modulacji na przebieg czasowy i widmo sygnału zmodulowanego, w bardzo sugestywny sposób przemawia do wyobraźni studentów przyczyniając się do zrozumienia i sprawniejszego zapamiętania podstawowych własności sygnałów zmodulowanych.

7 Wirtualne przyrządy pomiarowe w Laboratorium Układów Elektronicznych WAT Zintegrowane stanowisko pomiarowe Rys. 4. Wirtualny analizator sygnałów zmodulowanych Fig. 4. Virtual analyzer of modulated signals Ostatnim przykładem jest uniwersalne stanowisko laboratoryjne składające się z komputera klasy PC oraz generatora i oscyloskopu firmy Agilent. Do sterowania tymi urządzeniami wykorzystano interfejs GPIB. Na komputerze zainstalowano program LabVIEW 6i, kontrolujący wszystkie zastosowane moduły. Dodatkowo w ćwiczeniu została użyta karta pomiarowa PCI-DAS4020/12 firmy Measurement Computing Corporation, z dedykowanym oprogramowaniem. Stanowisko zapewnia generację, pomiar i wizualizację napięciowych i prądowych sygnałów zmiennych, analizę widma, badanie systemów modulacji i demodulacji sygnałów, badanie wpływu szumu na przetwarzany sygnał oraz małosygnałową i wielkosygnałową analizę pracy elementu nieliniowego. 5. PODSUMOWANIE Wirtualne przyrządy pomiarowe są nie tylko nowoczesnymi narzędziami pomiarowym, ale w szerszym sensie mogą służyć za podstawę stanowisk laboratoryjnych łączących aspekty edukacyjne, metrologiczne i symulacyjne [6]. Ich wykorzystanie umożliwia zwiększenie liczby wykonywanych eksperymentów w ramach określonej liczby zajęć laboratoryjnych. Eliminują one częstokroć żmudny i mało dydaktyczny manualny proces prowadzenia badań (zwłaszcza przy pomiarach różnego rodzaju charakterystyk). Ponadto studenci zapoznają się z możliwością wykorzystania w codziennej pracy nowoczesnych

8 380 technik badawczych [7] i obsługą zintegrowanych systemów pomiarowych. Przyrządy wirtualne są alternatywą dla tradycyjnych stanowisk pomiarowych ze względu na zastąpienie specjalizowanych i drogich przyrządów pomiarowych ich wirtualnymi odpowiednikami. Ponadto szczególnie w dydaktyce przyrządy wirtualne stanowią doskonałą bazę dla badań symulacyjnych szerokiej klasy zjawisk i urządzeń. 6. LITERATURA 1. R. Rak: Wirtualne przyrządy pomiarowe, Elektronizacja nr 9, 1999, s W. Winiecki: Organizacja komputerowych systemów pomiarowych, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa, Tłaczała W., Środowisko LabVIEW w eksperymencie wspomaganym komputerowo, WNT, Warszawa, Vee OneLab User s Guide, Agilent Technologies, USA, Chudy Z., Dobrowolski A., Kaźmierczak J., Komur P., Zintegrowany system pomiarowy do badania parametrów wzmacniaczy, VI Szkoła Konferencja Metrologia wspomagana komputerowo (MWK 2003), Waplewo, 2003, t. II, s Boksa J., Dobrowolski A., Projektowanie i symulacja układów elektronicznych, IV Szkoła Komputerowego Wspomagania Projektowania, Wytwarzania i Eksploatacji, Jurata, 2000, s Moczko J., Kramer L., Cyfrowe metody przetwarzania sygnałów biomedycznych, Wydawnictwo Naukowe UAM, Poznań, 2001 ABSTRACT The paper presents evolution, classification and applications of virtual measurements instruments. Limited equipment base of many didactic laboratories makes impossible realization a lot of interesting experiments. Limitation mentioned above may by easy overcoming by application of virtual measurement instruments, which enable improvement of measuring environment. They substitute broad range of very expensive specialist equipment else for cheap classic measuring apparatus. Obviously this exchange is valid in limited range; nevertheless this is sufficient for teaching applications in university s laboratories. The virtual instruments created and used in Laboratory of Electronic Circuits on the Faculty of Electronics Military University of Technology in Warsaw, especially analyzers of small signal frequency characteristics and transient characteristics, analyzers of modulated signals and integrated measurements system are presented in the main part of this paper.