Измеритель сопротивления на базе ПК

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Современная измерительная аппаратура давно срослась с цифровыми и процессорными средствами управления и обработки информации. Стрелочные указатели уже становятся нонсенсом в любых приборах и применяются скорее как элемент дизайна. В настоящее время персональный компьютер является обязательной принадлежностью практически каждой физической лаборатории. Он широко используются как средство обработки и накопления результатов измерений, а также для управления экспериментальными установками в реальном времени. Также и аналитическое оборудование все чаще подключается к персональным компьютерам. Таким образом, используются интерфейсы и возможности программ приложений, которые можно модернизировать и наращивать без замены основных измерительных блоков компьютера. Кроме этого, с добавлением специальной внутренней платы или внешнего модуля сбора данных, сам компьютер можно превратить в многофункциональный измерительный прибор, способный во многих случаях заменить традиционные приборы - вольтметры, амперметры, осциллографы, генераторы сигналов и т.д. Но в комплекте практически любого персонального компьютера имеется мощное устройство, способное выполнять функции аналого-цифрового и цифро-аналогового преобразования - звуковая карта. Практически все современные звуковые карты имеют разрядность 16 бит при частоте дискретизации 44100 герц, а большинство из них имеют разрядность 24 бита и частоту дискретизации вплоть до 192 КГц, что позволяет создать на базе персонального компьютера мощный измерительный прибор.

Цель данного дипломного проекта - разработка программного обеспечения для персонального компьютера, которое позволит измерять полное внутреннее сопротивление аккумуляторов и аккумуляторных батарей, а также полное сопротивление различных радиоэлементов без применения дополнительной дорогостоящей аппаратуры.

Данная тема имеет высокую практическую ценность, поскольку на данный момент не существует виртуальных приборов, способных производить измерения внутреннего сопротивления с достаточной точностью, и поэтому разрабатываемый прибор сможет составить конкуренцию уже существующим дорогостоящим измерителям импеданса. А благодаря лёгкости и простоте эксплуатации, готовый продукт может использоваться как индивидуальными пользователями, так и различными предприятиями и торговыми организациями, работающими с аккумуляторами, в целях определения параметров используемых аккумуляторов, в научно-исследовательских целях и в целях контроля качества продукции.

Задачи дипломного проекта:

· Исследовать возможности звуковой карты персонального компьютера в качестве измерительного преобразователя;

· Рассмотреть существующие виртуальные приборы на базе звуковой карты персонального компьютера;

· Разработать схему и методику проведения измерений;

· Разработать программу или комплект программ;

· Провести измерения и исследовать результаты эксперимента;

· Рассчитать экономическую эффективность от внедрения готового программного продукта.

1. Обзор виртуальных приборов на базе звуковой карты ПК

1.1 Осциллографы на базе звуковой карты

1) Digital Oscilloscope 3.0 - программа представляет собой однолучевой цифровой осциллограф.

Разработчик: BIP Electronics

Сайт производителя: http://www.electronics-lab.com

Рисунок 1.1 - лицевая панель Digital Oscilloscope

Технические характеристики:

· Разрядность: 8 бит;

· Частотный диапазон: 20-20000 Гц.

Сигнал в этой программе должен подаваться через правый канал звуковой карты. Окно программы на вид напоминает лицевую панель настоящего осциллографа, поэтому для многих знакомство с ней покажется привычным делом.

Справа от типичного экрана находятся основные органы управления: синхронизация (trigger), установка частоты и усиления. Чтобы синхронизация действовала, кнопка справа вверху от движка должна находится в состоянии «ON», потом вращением движка нужно добиться наиболее качественного изображения на экране. Изображение в режиме синхронизации этого осциллографа качественным можно назвать далеко не всегда: часты случаи, когда сигнал лишь мелькает на экране, пропадая в промежутках. Сама по себе программа-осциллограф не может понять, какое напряжение подается на вход звуковой карты, хотя в программе предусмотрено два уровня калибровки этого параметра (Options/Calibrate). Калибровку по ослаблению сигнала здесь и в других случаях следует проводить из микшера Windows. Калибровку также можно производить с помощью подстройки резисторов входного делителя напряжения. Лишь после скрупулезной калибровки можно иметь более или менее объективное представление о величине измеряемого сигнала по показаниям на экране осциллографа.

2) Oscilloscope 2.51 -  Включает в себя двухлучевой осциллограф и спектроанализатор.

Разработчик: Константин Зелдович

Контакты: zeld@polly.phys.msu.su

Технические характеристики:

· Разрядность: 8 бит;

· Частотный диапазон 20-20000 Гц;

· 2 измерительных канала.

Компоновка осциллографа и анализатора спектра более удобна для использования на экране компьютера (рис. 2.2), регуляторы организованы в виде ползунков. Органы управления расположены в верхней части окна в виде кнопок, движимые регуляторы сбоку от экрана.



Рисунок 1.2 - лицевая панель Oscilloscope

Так как осциллограф двухлучевой, то для него могут использоваться оба канала звуковой карты, соответствующий режим включается кнопками над экраном. Спектроанализатор работает только для правого канала звуковой карты. Синхронизация включается и отключается кнопками над экраном, причем возможна синхронизация как по восходящему, так и по нисходящему фронту импульса.

Основные органы управления расположены сбоку от экрана. Усиление устанавливается двумя вертикальными бегунками отдельно для лучей Y1, Y2, рядом с ними находятся ползунки меньшего размера для возможности вертикального смещения сигналов лучей. Положению ползунков усиления соответствуют числовые значения в окне «Gain». В следующем блоке первым идет регулятор «Т» (мс/дел) с ним связаны две кнопки над экраном, позволяющие менять масштаб как 1/10. Изображение на кнопках соответствует сигналу большего и меньшего периода. Числовое значение размерности времени отображается в окне «Sweep», однако отображаемое значение относится не к одному делению ячейки сетки, а ко всему экрану -- 10 делений. В окошках под экраном отображаются значения той точки экрана, на которую наведен курсор мыши. Для более точного измерения таким образом следует включить кнопку «Meter mode», тогда курсор приобретает форму перекрестка.

Из режима осциллографа легко перейти в режим спектроанализатора, достаточно нажать кнопку (FFT) справа над экраном. При этом в окне «Sweep» значения начинают отображаться уже в Гц, масштаб задается тем же ползунком «Т». Верхний предел оси частот в режиме спектроанализатора определяется так же из меню вкладки Options\Timing. Режим спектроанализатора удобно также использовать для определения частоты стабильного сигнала на осциллографе. В этом случае, переключившись из осциллографа на спектроанализатор, сигнал будет изображен в виде острого пика на шкале частот (рис. 1.3).

Рисунок 1.3 - режим спектроанализатора в Oscilloscope

1.2 Анализаторы спектра на базе звуковой карты

виртуальный компьютер звуковой карта

1) Spectrogram v5.0.5 -- представитель программ-спектроанализаторов с удобным интерфейсом и продвинутыми возможностями. Анализ сигнала возможен как из файла, так и по входу звуковой карты.

Разработчик: Richard Horne

Сайт производителя: www.monumental.com

Технические характеристики:

· Разрядность: 16 бит;

· Частотный диапазон 20-20000 Гц;

· 2 измерительных канала.

Способ восприятия сигнала устанавливается из меню File, Scan Input -- сигнал сканируется со входа звуковой платы. Шкала частот может быть представлена как в линейном, так и в логарифмическом виде. Возможно включение одного либо двух каналов звуковой платы. Окно программы организовано просто и удобно (рис. 2.4). По экрану с помощью мышки двигается курсор, в виде крестового прицела, достаточно навести его на интересующую точку, и внизу в окошке выводятся числовые значения относительной амплитуды и частоты в выбранной точке. Таким образом, программу можно использовать и в качестве частотомера для сигнала фиксированной частоты, который будет виден на экране как самый высокий пик.

Рисунок 1.4 - лицевая панель Spectrogram

Перед началом каждого сеанса работы необходимо задать установки на панели настроек, она и будет каждый раз появляться при последующих нажатиях клавиши F3 (рис. 1.5). Панель настроек состоит из четырех основных разделов. Для начала необходимо задать способ отображения на экране сканируемого сигнала, в разделе Display Characteristic, в установках Display Type для нас лучше всего подойдет Line или Bar, график будет отображен линией либо в виде гистограммы соответственно. При этом по горизонтали расположена ось частот, и ось амплитуд по вертикали.

Рисунок 1.5 - панель настроек Spectrogram

На интервал значений на оси частот влияют установки сразу из двух разделов панели настроек. В Sample Characteristic\ Sample Rate задается предел величины дискретизации, до 44кГц. Значения FFT задают степень дискретизации в преобразованиях Фурье, используемых при программной обработке спектрограммы. Чем выше FFT, тем выше точность и разрешающая способность спектрограммы, однако требуется больше времени для расчета и сужается отображаемый интервал значений на оси частот. Так при установках Sample Rate на 5,5 кГц, а FFT Size в значение 16384, мы получим наименьший частотный диапазон (от 0 до 86 Гц) при наибольшем разрешении. Для использования же максимального размаха частот придется установить значения параметров в противоположные крайние значения: 44кГц, 512 -- FFT, при этом мы получим интервал 0-22050 Гц. Интервал по оси частот может так же смещаться с помощью движка Band, таким образом, чтобы измерения проводились не от нуля, а от какого-либо более высокого значения, что тут же отображается в окошках справа от регулятора.

1.3 Генераторы на базе звуковой карты

1) NCH Tone Generator - простой генератор тестового сигнала и звуковой частоты

Разработчик: NCH Software

Сайт производителя: http://www.nch.com.au

Технические характеристики:

· Разрядность: 16 бит;

· Частотный диапазон 1-22000 Гц;

· 2 выходных канала.

Программа имеет компактный интерфейс (рис. 2.6) и дает довольно большой выбор в форме сигналов: синусоидальный (sine), прямоугольный (square), треугольный (triangle), пилообразный (sawtooth), импульсный и «белый шум» (white noise).

Рисунок 1.6 - лицевая панель NCH Tone Generator 

Сигнал можно сохранить в виде файла, предварительно задав время звучания. К недостаткам можно отнести отсутствие на панели программы регулятора ослабления (амплитуды), предполагается, что в этом качестве будет использоваться стандартный микшер Windows, что вполне приемлемо, но менее удобно. Так же нельзя настраивать форму заданного сигнала.

2) Marchand Function Generator -- генератор, позволяющий формировать сигнал на оба канала. Частота для обоих выходов устанавливается одна и та же, но для каждого канала по отдельности можно задать форму сигнала: синусоидальный, прямоугольный, треугольный, импульсный, а так же амплитуду. Также программа позволяет изменять амплитуду генерируемого сигнала для каждого канала в отдельности.

Разработчик: Marchand Electronics

Сайт производителя: http://www.marchandelec.com

Технические характеристики:

· Разрядность: 8 бит;

· Частотный диапазон 20-20000 Гц;

· 2 выходных канала.

Рисунок 1.7 - лицевая панель Marchand Function Generator 

1.4 Измерители сопротивления на базе звуковой карты

1) LIMP - виртуальный измерительный прибор из пакета фирмы Arta Software. Изначально программа разрабатывалась для определения импеданса динамиков, но также с ее помощью можно определять номиналы сопротивлений, индуктивностей, емкостей. Для этого достаточно компьютера, самой программы и аппаратной части из одного резистора и нескольких шнуров.

Разработчик: Arta Software

Сайт производителя: http://www.artalabs.hr/

Технические характеристики:

· Разрядность: 16 бит;

· Частотный диапазон 20-20000 Гц;

· 2 измерительных канала;

· Диапазон измеряемого импеданса 1-200 Ом.

Рисунок 1.8 - интерфейс LIMP

1.5 Недостатки виртуальных приборов на базе звуковой карты

Самым большим недостатком всех рассмотренных выше виртуальных приборов, а также многих их аналогов, является то, что они не используют весь потенциал персонального компьютера и его звуковой карты. Диапазон рабочих частот ограничивается частотой дискретизации звуковой платы, а точность измерения по амплитуде зависит от разрядности. Разработчики приложений не позволяют работать со звуковыми картами разрядности более 16 бит и частотой дискретизации более 44100 Гц, а также не используют возможности многоядерных процессоров. Из-за этих недостатков рассмотренные программные продукты не могут похвастаться должной точностью и, в большинстве своём, не годятся для использования на практике.

2. Выбор и обоснование направления разработки

Тем, что компьютер может стать главным звеном в измерительной или аналитической аппаратуре уже никого не удивишь. Ведь пока что не придумано более удобного устройства, способного автоматизировать процессы, а также хранить результаты исследований и измерений. Обычно для этих целей используются специальные модули или платы расширения - редкое и дорогостоящее оборудование. Совсем другое дело превратить в цифровой мультиметр самый обычный компьютер, в его стандартной конфигурации, без каких либо дополнительных аппаратных доработок и финансовых затрат. Оригинальная идея программиста, нестандартный подход к стандартному оборудованию ПК и совсем незначительные ухищрения с аппаратной частью позволяют воплотить эту возможность в жизнь. Измерительный прибор из ПК получается с помощью одних только программных средств.

2.1 Описание существующей технологии измерения

За последние 5 лет было создано немало любительских программных продуктов для измерения сопротивления, но ни один из них не в состоянии измерить сопротивление ниже 1 Ома ввиду несовершенства используемых средств и, в частности, языка программирования. Поэтому на данный момент не существует виртуальных приборов, которые способны определять полное сопротивление двухполюсника, ведь оно может находиться в пределах от 5 до 100 мОм. При этом на рынке измерительной аппаратуры существует немало дорогостоящих цифровых тестеров.

Для определения внутреннего сопротивления цифровые тестеры используют четырехпроводную схему. Рассмотрим функциональную схему измерения тестера MY-99.



Рисунок 2.1 - Функциональная схема подключения тестера MY-99 к АКБ (ИТ- измеритель импульса тока, ИН - измеритель напряжения, СУ - система управления, обработки данных и сравнения с Rк - откалиброванное сопротивление, ВР - вывод результатов на дисплей)

Результатом измерения показывается на дисплее, текущее напряжение, активное, реактивное и комплексное сопротивление на частотах 20,100,500 и 1000 Гц.

"Омическая" технология измерения сопротивления основана на законе Ома, который выражает отношения между изменениями в напряжении, силе тока и сопротивлении или проводимости в электрической цепи.

Закон Ома может быть выражен следующим образом:

ДU = I x R, (2.1)

ДU = I / G, (2.2)

где ДU - изменение напряжения в цепи (В);

I - сила тока в амперах (A);

R - сопротивление в Омах (Ом);

G - проводимость в Сименсах (S).

Таким образом, омическая технология использует измеренное сопротивление или значение проводимости, чтобы определить характеристики батареи под нагрузкой. Более низкая проводимость соответствует пониженной способности батареи проводить ток при снижении напряжения батареи.

Рассмотрим также виртуальный измеритель импеданса LIMP из пакета фирмы Arta Software, использующий звуковую карту в качестве преобразователя. С его помощью можно определять номиналы сопротивлений, индуктивностей, емкостей.

Схема измерения, предлагаемая разработчиками, представлена на рисунке (2.2).

Рисунок 2.2 - функциональная схема измерения LIMP

Для измерения используется программный генератор синусоидального сигнала. Падение напряжения измеряется на опорном резисторе известного номинала. Затем по формуле (2.3) программно вычисляется значение сопротивления.

, (2.3)

где Z - импеданс исследуемого элемента;

U₁ - напряжение генератора;

U₂ - напряжение на опорном резисторе;

Rоп - сопротивление опорного резистора.

2.2 Недостатки существующих виртуальных измерителей на базе звуковой карты

У современных программных продуктов, предназначенных для измерений, существует множество недостатков:

· Невысокое быстродействие;

· Невысокая достоверность результатов;

· Несовершенство процесса сбора данных;

· Невысокий диапазон измеряемых величин;

· Сложный интерфейс;

· Сложный программный код;

· Ограниченные возможности регулировки параметров;

· Ограниченное использование возможностей звуковой карты.

Низкое быстродействие объясняется тем, что в большинстве программ нет возможности регулировать размер буфера, а также настраивать параметры звуковой карты под потребности конкретного пользователя, из-за этого возникают проблемы при работе программного обеспечения на слабых компьютерах. Буфер мгновенно переполняется, и программа зачастую выдаёт ошибку.

Точность измерения напрямую зависит как от соотношения сигнал/шум так и от разрядности звуковой карты. В современных платах устанавливаются АЦП и ЦАП разрядность 24 бита. Это значит, что звуковая карта способна распознавать 16777216 уровней входного сигнала. Для большинства звуковых карт максимальная амплитуда выходного сигнала равна 1 вольту, значит на диапазон от -1 до 1 вольта приходится 16777216 уровней квантования. Таким образом, разрешение АЦП по напряжению равно:

, (2.4)

где Д - шаг квантования;

Umax - максимальное возможное значение входного напряжения;

Umin - минимальное возможное значение входного напряжения;

n - разрядность АЦП.

Это значит, что ничего (кроме шума в сигнале) не может помешать высокоточным измерениям, с использованием звуковой карты. Но ни одна из программ, рассмотренных в ходе дипломного проектирования, не работает с 24-разрядными звуковыми картами. При разрядности 8 бит минимальный шаг напряжения, который обнаружит программа, равен:

Отсюда очевидно преимущество виртуальных приборов, которые способны использовать по максимуму возможности звуковой карты.

Сильно влияет на качество снимаемых показаний частота дискретизации. Если частота дискретизации, прописанная в программе, не соответствует частоте дискретизации звуковой карты, то программе приходится выполнять передискретизацию.

Передискретизация - изменение частоты дискретизации дискретного сигнала. Отсчёты сигнала, соответствующие новой частоте дискретизации, вычисляются по уже имеющимся отсчётам и не содержат новой информации.

Таким образом, если в параметрах звуковой карты установлена частота дискретизации 48 КГц, а в программе прописано значение 44,1 КГц, то неизбежен процесс децимации (понижения частоты дискретизации), из-за которого происходит частичная потеря данных, а также возможно их искажение. Чтобы избежать таких проблем, следует тщательно следить за тем, чтобы частота дискретизации звуковой карты совпадала с значением, прописанным в программе. Зачастую для этого приходиться изменять параметры драйвера звуковой карты, что также может негативно сказываться на измерении и ограничивать диапазон измеряемых и генерируемых частот.

Большинство описанных проблем решаются выбором подходящего языка программирования и тщательной проработкой алгоритма разрабатываемой программы. При этом важно, чтобы программный код не был слишком сложным и громоздким, ведь в таком случае усложняется возможность модернизации программы и адаптации её под нужды того или иного пользователя.

2.3 Выбор языка программирования

Для разработки программного обеспечения была выбрана среда программирования LabVIEW как наиболее удовлетворяющая всем описанным выше требованиям.

LabVIEW (англ.  Laboratory Virtual Instrumentation Engineering Workbench) -- это среда разработки и платформа для выполнения программ, созданных на графическом языке программирования «G» фирмы National Instruments (США).

LabVIEW используется в системах сбора и обработки данных, а также для управления техническими объектами и технологическими процессами.

Рисунок 2.3 - пример программного кода LabVIEW

Графический язык программирования «G», используемый в LabVIEW, основан на архитектуре потоков данных. Последовательность выполнения операторов в таких языках определяется не порядком их следования (как в императивных языках программирования), а наличием данных на входах этих операторов. Операторы, не связанные по данным, выполняются параллельно в произвольном порядке.

Программа LabVIEW называется и является виртуальным прибором (англ. Virtual Instrument) и состоит из двух частей:

- блочной диаграммы, описывающей логику работы виртуального прибора;

- лицевой панели, описывающей внешний интерфейс виртуального прибора.

Виртуальные приборы могут использоваться в качестве составных частей для построения других виртуальных приборов.

Лицевая панель виртуального прибора содержит средства ввода-вывода: кнопки, переключатели, светодиоды, верньеры, шкалы, информационные табло и т. п. Они используются человеком для управления виртуальным прибором, а также другими виртуальными приборами для обмена данными.

Блочная диаграмма содержит функциональные узлы, являющиеся источниками, приемниками и средствами обработки данных. Также компонентами блочной диаграммы являются терминалы («задние контакты» объектов лицевой панели) и управляющие структуры (являющиеся аналогами таких элементов текстовых языков программирования, как условный оператор «IF», операторы цикла «FOR» и «WHILE» и т. п.). Функциональные узлы и терминалы объединены в единую схему линиями связей.

LabVIEW поддерживает огромный спектр оборудования различных производителей и имеет в своём составе многочисленные библиотеки компонентов:

· для подключения внешнего оборудования по наиболее распространённым интерфейсам и протоколам;

· для удалённого управления ходом эксперимента;

· для управления роботами и системами машинного зрения;

· для генерации и цифровой обработки сигналов;

· для применения разнообразных математических методов обработки данных;

· для визуализации данных и результатов их обработки (включая 3D-модели);

· для моделирования сложных систем;

· для хранения информации в базах данных и генерации отчетов;

· для взаимодействия с другими приложениями в рамках концепции COM/DCOM/OLE.

Специальный компонент LabVIEW Application Builder позволяет создавать LabVIEW-программы, пригодные для выполнения на тех компьютерах, на которых не установлена полная среда разработки. Для работы таких программ требуется бесплатно распространяемый компонент «LabVIEW Runtime Engine» и, при необходимости, драйверы используемых внешних устройств. [2]

2.4 Выбор звуковой карты для разработки

Для разработки программного обеспечения и его отладки было решено выбрать две разные звуковые карты двух различных производителей. Это позволит сравнить полученные результаты и сделать выводы о возможностях работы разрабатываемого виртуального прибора с различными звуковыми картами.

1) ECHO MIA - PCI звуковая карта.

Технические характеристики:

· Кол-во входов/выходов: 4/4;

· Разрядность АЦП/ЦАП: 24 бита;

· Частота дискретизации АЦП/ЦАП: 96 кГц

· Интерфейс: PCI;

· Частотный диапазон: 15 Гц - 22 кГц;

· Динамический диапазон: 106 дБ.

· Питание: PCI.

2) LINE 6 POD X3 Live - процессор, предназначенный для звукозаписи. Имеет USB порт и может выступать в роли внешней звуковой карты.

Технические характеристики:

· Кол-во входов/выходов: 8/8;

· Разрядность АЦП/ЦАП: 24 бита;

· Частота дискретизации АЦП/ЦАП: 192 кГц;

· Интерфейс: USB;

· Частотный диапазон: 20 Гц - 20 кГц;

· Динамический диапазон: 100 дБ.

3. Выбор и расчёт схемы измерения

3.1 Методы измерения

Существуют различные методы измерения сопротивления. Первый из них - это двухпроводной метод, при котором измеряется падение напряжения на исследуемом элементе при пропускании через него тока. Достоинство этого метода заключается в его простоте, поскольку используется всего два провода. Это облегчает подключение и реализацию. Главный недостаток заключается в том, что в измерительную схему входит сопротивление подводящих проводов, которое может внести некоторую ошибку.

Рисунок 3.1 - двухпроводный метод измерения

Трехпроводной способ является усовершенствованием двухпроводного. Здесь снова ток пропускается через устройство и измеряется результирующее напряжение. Использование в схеме третьего провода обеспечивает компенсацию сопротивления подводящего провода. Для этого необходимо либо трехпроводное компенсирующее измерительное устройство, либо действительное измерение вклада третьего провода и его вычитание из общего результата измерения.

Третий метод - четырехпроводной. Как и в двух предыдущих методах, в нем производится пропускание тока и измерение напряжения. Однако ток протекает через один набор подводящих проводов, в то время как напряжение воспринимается другим набором проводников. Напряжение измеряется непосредственно на исследуемом элементе, а не в той точке, где подключен источник тока. Это означает, что сопротивление подводящих проводов полностью исключается из измерительной схемы.

Так, например, если сопротивление подводящих проводов равно 0,1 Ом, а измеряемое сопротивление - 1 Ом, то вклад этих проводов в погрешность будет около 10%. В четырехпроводном методе сопротивление подводящих проводов не входит в схему измерения, поэтому данный метод наиболее точный. [3]

Рисунок 3.2 - четырехпроводной метод измерения

3.2 Выбор методики измерения

В качестве измерительного преобразователя используется обычная звуковая карта. Звуковая карта не предназначена для определения амплитуды сигнала прямым путем. Но это ограничение можно обойти, используя сравнение уровней двух независимых сигналов. Генерируемый сигнал переменного тока с выхода Line-Out поступает на линейный вход Line-In. По одной цепи сигнал с Line-Out идет напрямую, без всякого сопротивления на левый линейный вход звуковой карты - это эталонный сигнал. По другой цепи тот же выходной сигнал поступает на правый линейный вход, но уже через измеряемый элемент. Также вводится дополнительный резистор (Rоп), который устанавливается снаружи корпуса системного блока. Этот резистор является опорным и необходим для того, чтобы знать ток в цепи. Понятно, что уровень сигнала с правого входа Line-In, прошедшего через сопротивление, будет меньше, чем с левого. Программа измеряет соотношение уровней сигналов с левого и правого входов, и, зная величину опорного сопротивления, по этому соотношению вычисляется искомое сопротивление. Для реактивной нагрузки алгоритм несколько усложняется и кроме ослабления сигнала так же учитывается сдвиг фаз между эталонным сигналом и сигналом, прошедшим через измеряемый элемент, также учитывается частота генерируемого сигнала.

Рисунок 3.3 - Схема подключения

3.3 Расчёт схемы измерения

Для расчёта составим схему для выбранной методики измерения.

Рисунок 3.4 - функциональная схема измерения

Напряжение эталонного сигнала (U₁), идущего с генератора, измеряется первым вольтметром. Второй вольтметр измеряет падение напряжения на опорном резисторе (U₂).

Второй закон Кирхгофа гласит, что алгебраическая сумма падений напряжений по любому замкнутому контуру цепи равна алгебраической сумме ЭДС, действующих вдоль этого же контура.

(3.1),

где U_G - напряжение генератора;

U_Z - падение напряжения на исследуемом элементе;

U_Rоп - падение напряжения на опорном резисторе;

Согласно закону Ома, сила тока в цепи обратно пропорциональна её сопротивлению, из этого следует:

(3.2),

где I - ток в цепи;

R_Z -полное сопротивление исследуемого элемента;

R_оп - сопротивление опорного резистора;

(3.3),

Подставив данные выражение (4.3) в формулу (3.1), получим:

(3.4),

Теперь подставим выражение (3.2) в формулу (3.4)

 (3.5),

Из данной формулы выразим Rz и приведём подобные:

(3.6),

Зная угол сдвига фаз ц, можно вычислить активную и реактивную составляющие сопротивления:

(3.7),

где tg ц - тангенс угла сдвига фаз;

Rr - реактивное сопротивление;

Ra - активное сопротивление;

(3.8),

Таким образом, благодаря выбранной схеме можно измерить полное сопротивление исследуемого элемента.

4. Разработка программного обеспечения

Перед разработкой алгоритма рассмотрим структурную схему измерения.

Рисунок 4.1 - Структурная схема измерения

На схеме видно, что первым делом в ход вступает генератор синусоидального сигнала. Эта часть программы управляет звуковой картой и, в частности, цифровым сигнальным процессором (DSP). Сгенерированный с заданными параметрами сигнал проходит через процедуру цифро-аналогового преобразования, проходит через фильтры звуковой карты и поступает на исследуемый элемент. Затем полученные сигналы поступают уже на входные фильтры, происходит процесс аналого-цифрового преобразования, после чего через DSP звуковой карты измеритель сопротивления получает данные измерений для обработки.

Исходя из структурной схемы, можно сделать вывод о целесообразности создания двух независимых программ:

· Генератор синусоидального сигнала;

· Измеритель сопротивления.

Благодаря такому разделению, программный код заметно упрощается, поскольку пропадает необходимость программирования двух параллельных независимых процессов. Также становится возможным использование создаваемых программ отдельно друг от друга. Генератор синусоидального сигнала может использовать самостоятельно для генерации звуковой частоты, либо в паре с другими программами для измерения, если есть такая необходимость.

Измеритель также можно использовать совместно с другими программными генераторами, либо в случаях, когда необходимо использовать какой-либо внешний генератор сигнала. Для таких целей следует предусмотреть возможности снятия показаний с подключаемой платы расширения.

4.1 Разработка генератора синусоидального сигнала

Генератор синусоидального сигнала должен иметь возможность настройки параметров выбранной звуковой карты, должны быть регулировки параметров генерируемого сигнала, а также для удобства можно создать экран для отображения сигнала. Так как программа может работать как в паре с создаваемым измерителем, так и самостоятельно, необходимо реализовать возможность выбора количества выходных каналов. Разрабатываемое приложение может использоваться на слабых персональных компьютерах, поэтому следует добавить возможность выбора количества точек на период в генерируемом сигнале.

Блок-схема алгоритма работы генератора приведена на рисунке (4.2).



Рисунок 4.2 - Алгоритм работы генератора синусоидального сигнала

Перед запуском генератора, пользователь вводит параметры звуковой карты, также параметры генерируемого сигнала, либо оставляет их по умолчанию. Затем программа сохраняет введённые данные, начинается инициализация звуковой карты. Как только устройство готово, заданные параметры применяются, и происходит генерация сигнала. Полученный сигнал записывается в буфер и направляется на выход звуковой карты. Процесс генерации останавливается, как только нажимается кнопка «Стоп», либо как только происходит ошибка. Затем буфер очищается, устройства переходят в режим «по умолчанию», производится обработка ошибок, если они есть.

4.2 Разработка измерителя сопротивления

Измеритель сопротивления - гораздо более сложная программа, в составе которой должны быть дополнительные подпрограммы.

Измеритель должен обрабатывать входной сигнал, управлять оцифровкой с заданными пользователем параметрами. Так как среда разработки LabVIEW является 32-разрядной программой, то имеется возможность интерполяции сигналов, что может увеличить точность. Необходимо создать блоки калибровки амплитуды и установки нуля, которые позволят избавиться от аддитивной погрешности. Пока программа собирает и обрабатывает данные, желательно выводить накапливаемые значения, для удобства контроля процесса измерения. После остановки сбора данных, программа должна рассчитывать среднее значение за время измерения и выводить результат на экран.

Блок-схема алгоритма измерителя сопротивления приведена на рисунке (4.3).



Рисунок 4.3 - Алгоритм работы измерителя сопротивления

До начала измерения, пользователь вводит параметры звуковой карты, а также параметры оцифровки, либо оставляет их по умолчанию. Затем программа сохраняет введённые данные, начинается инициализация звуковой карты. Как только устройство готово, заданные параметры применяются, и начинается сбор данных. Сигналы считываются с входов звуковой карты, и происходит процесс интерполяции - увеличение частоты дискретизации путем вычисления промежуточных отсчётов по уже имеющимся. Затем в работу включается подпрограмма «формирователь сигналов». Эта программа вычисляет постоянную составляющую, и вычитает полученное значение из массива данных. Также в этом блоке происходит изменение сигнала с учётом коэффициентов калибровки и вычисление среднеквадратичного значения напряжения. Блок калибровки осуществляет пересчёт и хранение коэффициентов калибровки с учётом заданного в генераторе значения амплитуды. Далее по полученным данным программа рассчитывает полное сопротивление, проводимость и угол сдвига фаз между сигналами с левого и правого входов звуковой карты. Блок установки нуля вычисляет значение ошибки, сохраняет его и затем вычитает из всех полученных значений. Таким способом устраняется аддитивная погрешность измерения. После остановки сбора данных, вычисляется среднее значение полного сопротивления, проводимости и угла сдвига фаз, и затем рассчитывается активная и реактивная составляющие полного сопротивления. После вывода всех значений, программа очищает буфер и обрабатывает ошибки, если они есть.

4.3 Разработка подпрограмм

При разработке измерителя сопротивления, возникла необходимость в написании дополнительных программ, которые не входят в стандартный пакет LabVIEW:

· «Формирователь сигналов»;

· Блок калибровки;

· Блок установки нуля.

Рассмотрим их программный код.

«Формирователь» выделяет из входного массива данных сигналы с левого и правого канала. Затем каждый из них калибруется с учётом рассчитанных коэффициентов пересчёта. Также в этом блоке устраняется постоянная составляющая и вычисляется действующее значение для обоих сигналов. «Формирователь сигналов» имеет пять различных выводов. Одна пара для вывода на индикаторы действующего значения. Одна пара для вывода сигналов для дальнейшей обработки, и один вывод на экран для отображения. Программный код «формирователя сигналов» представлен на рисунке (4.4)

Рисунок 4.4 - Программный код «формирователя сигналов»

Программа калибровки предназначена для вычисления и хранения коэффициентов преобразования программ, в которых заданные или измеренные величины не совпадают с реальными, измеренными контрольным прибором. Это позволяет устранить ошибку путём перерасчёта коэффициентов преобразования, если известно заданное значение и его реальное значение.

Y - величина выходного сигнала, заданная в программе;

X - величина выходного сигнала, измеренная прибором или значение калибровочного сигнала, поданного на вход.

Программный код блока калибровки представлен на рисунке (4.5).



Рисунок 4.5 - Программный код блока калибровки

По нажатию кнопки «Калибровать» происходит перерасчёт коэффициентов преобразования. Новые коэффициенты сохраняются и отправляются в «формирователь сигналов». Также имеется возможность отображения значений коэффициентов на индикаторы при помощи выводов K (L) и K (R), если это необходимо пользователю.

K (L) - коэффициент калибровки для сигнала левого канала.

K (R) - коэффициент калибровки для сигнала правого канала.

Блок установки нуля предназначен для вычисления значения ошибки и хранения его. Полученное число вычитается из всех показаний. Таким способом устраняется аддитивная погрешность измерения. Перерасчёт производится по нажатию кнопки «Установка нуля», при этом значение, которое в момент нажатия было на индикаторе, принимается за «ноль».

Программный код блока установки нуля представлен на рисунке (4.6).

Рисунок 4.6 - Программный код блока установки нуля

5. Руководство пользователя

5.1 Общие сведения

«Измеритель сопротивления» - это комплект программ, предназначенный для измерения полного сопротивления радиоэлементов, а также внутреннего сопротивления аккумуляторов и аккумуляторных батарей.

Технические характеристики:

· Разрядность: 24 бита;

· Частотный диапазон: 1-22000 Гц;

· 2 измерительных канала;

· Диапазон измеряемых сопротивлений: 5 мОм - 5 КОм.

Системные требования:

· Операционные системы: Windows 2000/XP/Vista/7;

· Процессор Pentium частотой 600 МГц и выше, 256 Мб оперативной памяти;

· Звуковая карта с поддержкой драйверов ASIO или WDM.

Гарантируется работа со следующими звуковыми картами:

· RME Fireface 800, RME Fireface 400, RME DIGI96, RME HDSP;

· Duran Audio D-Audio, EMU 1616m, EMU 0404, EMU 0202;

· Terratec EWX 24/96, Firewire FW X24, YAMAHA GO46;

· M-audio Audiophile 2496, USB Transit, Delta 44;

· Digigram VxPocket 440;

· Echo Layla 24, Echo Mia;

· TASCAM US-122 - USB;

· ESI Quatafire 610, U24 USB;

· Soundblaster Live 24;

· Turtle Beach Pinnacle, Fuji;

· Line 6 POD, UX1, UX8.

«Измеритель сопротивления» имеет два варианта распространения:

· Библиотека виртуальных приборов для LabVIEW 10;

· Установочный файл.

5.2 Аппаратное обеспечение

Для проведения измерений необходимо собрать простейшую схему, приведенную на рисунке (5.1).

Рисунок 5.1 - Конструкция для измерений

В качестве опорного сопротивления рекомендуется выбирать прецизионные резисторы. От того, насколько точно известно сопротивление этого резистора, зависит точность измерений.

Вариант исполнения с экранированным кабелем и зажимами типа «крокодил» приведён на рисунке (5.2).



Рисунок 5.2 - Вариант исполнения конструкции для измерений

5.3 Описание интерфейса

Измеритель сопротивления состоит из двух независимых программ:

· Генератор;

· Измеритель.

Рассмотрим интерфейс генератора синусоидального сигнала. Лицевая панель виртуального прибора приведена на рисунке (5.3).



Рисунок 5.3 - Лицевая панель генератора

В верхней части окна находятся настройки генерируемого сигнала:

· Частота, Гц - частота генерируемого сигнала в герцах;

· Амплитуда, В - амплитуда генерируемого сигнала в вольтах;

· Фаза, град. - начальная фаза генерируемого сигнала в градусах.

В нижней части располагаются регулировки параметров звуковой карты:

· Sample rate - частота дискретизации ЦАП в герцах;

· Number of channels - количество генерируемых каналов;

· Bits per sample - разрядность ЦАП в битах;

· Device ID - порядковый номер звуковой платы, используемой для вывода;

· Samples/ch - количество точек на канал в генерируемой.

Рассмотрим интерфейс измерителя. Лицевая панель приведена на рисунке (5.4).

Рисунок 5.4 - Лицевая панель измерителя

Интерфейс разбит на несколько блоков для достижения большего удобства при проведении измерений.

Блок параметров звуковой карты:

· Sample rate - частота дискретизации АЦП в герцах;

· Number of channels - количество каналов;

· Bits per sample - разрядность АЦП в битах;

· Device ID - порядковый номер звуковой платы, используемой для воспроизведения звука;

· Samples/ch - количество точек на канал в исследуемом сигнале.

Блок калибровки:

· Uвх, В - амплитуда генерируемого сигнала в вольтах;

· Калибровка - по нажатию производит корректировку амплитуд входных сигналов путём пересчёта коэффициентов преобразования;

· Установка нуля - по нажатию записывает среднее значение ошибки, которое затем будет вычитаться из показаний.

Блок параметров сигнала:

· Частота, Гц - частота в герцах сигнала, поступающего на вход звуковой карты;

· Uд, В (L) - действующее значение в вольтах сигнала, поступающего на левый канал звуковой карты;

· Uд, В (R) - действующее значение в вольтах сигнала, поступающего на правый канал звуковой карты;

Блок измерений:

· G, См - проводимость исследуемого элемента в сименсах;

· Gср, См - среднее значение проводимости исследуемого элемента за время измерения;

· Z, Ом - полное сопротивление исследуемого элемента в омах;

· Zср, Ом - среднее значение полного сопротивления исследуемого элемента за время измерения;

· Ф, гр. - угол сдвига фаз в градусах;

· Фср, гр. - среднее значение угла сдвига фаз за время измерения;

· Xср - среднее значение реактивной составляющей сопротивления;

· Rср - среднее значение активной составляющей сопротивления.

В правой части программы можно увидеть следующие элементы управления:

· Синхронизация - по нажатию включает режим автоматической синхронизации;

· Таймер - по нажатию включает режим произведения измерений в течение заданного времени;

· Время, сек - устанавливается время измерения в секундах, после которого программа произведёт подсчёт и усреднение результатов;

· Закончить измерение - по нажатию останавливается измерение и производится подсчёт и усреднение результатов.

5.4 Методика проведения измерений

1. Подключите измерительные кабели к соответствующим разъёмам звуковой карты. Если на звуковой карте не предусмотрен линейный выход, то вместо него следует использовать выход на наушники.

2. Запустите генератор синусоидального сигнала, дважды кликнув на его иконке в каталоге с программой. Установите параметры звуковой карты, либо оставьте их по умолчанию.

Рисунок 5.5 - Блок параметров

Значения Sample rate и Bits per sample должны соответствовать значениям, установленным в параметрах драйвера звуковой карты. Device ID - порядковый номер звуковой карты в микшере Windows. Значению «0» соответствует устройство воспроизведения звука по умолчанию. Samples/ch устанавливается в зависимости от производительности компьютера. Рекомендуется выбирать значения от 2000 до 5000.

В блоке параметров генерации устанавливаются частота сигнала, его амплитуда и начальная фаза. Амплитуду следует выбирать в диапазоне от 0,1 до 1 вольта. Если на экране отображения сигнала пики синусоиды выглядят обрезанными, то следует немного уменьшить амплитуду.

Рисунок 5.6 - Параметры генерации

Запустите программу сочетанием клавиш Ctrl+R, либо нажатием кнопки «Run». Расположение кнопки показано на рисунке (5.7).

Рисунок 5.7 - Кнопка запуска программы

3. Запустите измеритель сопротивления, дважды кликнув на его иконке в каталоге с программой. Параметры звуковой карты должны соответствовать параметрам, установленным в генераторе, за тем лишь исключением, что Number of channels всегда устанавливается равным двум, поскольку на вход поступает стерео-сигнал. Bits per sample разрешается установить равным 32, в таком случае программа сама подстроится под разрядность звуковой карты. Запустите программу сочетанием клавиш Ctrl+R, либо нажатием кнопки «Run».

4. Необходимо провести калибровку измерительной системы. Для этого следует соединить друг с другом выводы X1 и X3. X2 остается отсоединённым. В блоке калибровки в графе «Uвх, В» вводится значение амплитуды, заданное в генераторе. Нажатием кнопки «Калибровка» производится корректировка амплитуды входного сигнала. После этого нужно подсоединить X2 и нажать кнопку «Установка нуля». Остановите работу программы, нажав кнопку «Закончить измерение».

Рисунок 5.8 - Блок калибровки

5. К выводам X1 и X3 подсоедините исследуемый элемент. Если элемент полярный, то необходимо соблюдать полярность. X1 подключается к «плюсу», X3 подключается к «минусу». Запустите программу. Всё время, пока программа работает, производится запись всех измеренных значений (G, Z, Ф). После нажатия кнопки «Закончить измерение», производится усреднение показаний, расчёт активной и реактивной составляющей и вывод окончательных результатов.

Рисунок 5.9 - Блок измерений

6. При проведении измерений, рекомендуется пользоваться встроенным таймером, который включается нажатием кнопки «Таймер». В графе «Время, сек» устанавливается время измерения. Время измерения рекомендуется выбирать в пределах от 5 до 10 секунд. Программа будет автоматически останавливаться по истечении заданного времени и выводить результаты измерений.

Рисунок 5.10 - Программный таймер

6. Описание эксперимента и его результатов

6.1 Планирование эксперимента

Цели эксперимента:

· проверить правильность работы разработанной системы;

· проверить соответствие заданным техническим характеристикам;

· определить величину случайной погрешности;

· определить точность измерения системы на примере резисторов;

· определить чувствительность измерителя;

· доказать возможность измерения внутреннего сопротивления аккумуляторов на разных частотах;

· доказать возможность работы разработанных программ на различных звуковых картах.

Оборудование для эксперимента:

· Звуковая карта M-AUDIO Fast Track Pro;

· 7 резисторов номиналом 0,1 Ом ±5%;

· Прецизионный резистор номиналом 0,24 Ом±1%;

· 7 резисторов номиналом от 0,33 до 0,9 Ом с погрешностью ±5%;

· 4 новых NiMH аккумулятора KODAK типа AA емкостью 2500 милиампер-часов;

· 4 бывших в употреблении NiMH аккумулятора GP типа АА емкостью 2100 милиампер-часов;

· 2 новых NiMH аккумулятора Camelion типа ААА емкостью 1000 милиампер-часов.

При разработке и отладке программного продукта использовались звуковые карты компании LINE 6 и ECHO. Для проведения эксперимента была выбрана USB-карта другого производителя (M-AUDIO), чтобы доказать, что разработанный виртуальный прибор может работать с различными звуковыми платами.

Технические характеристики M-AUDIO Fast Track Pro:

· Кол-во входов/выходов: 4/4;

· Разрядность АЦП/ЦАП: 24 бита;

· Частота дискретизации АЦП/ЦАП: 96 кГц

· Интерфейс: USB;

· Частотный диапазон: 20 Гц - 20 кГц;

· Динамический диапазон: 101 дБ.

Из семи резисторов номиналом 0,1 Ом четыре были спаяны параллельно для получения сопротивления 25 мОм, а также два были спаяны параллельно для получения сопротивления 50 мОм с примерной относительной погрешностью 5%.

6.2 План проведения эксперимента

1. На первом этапе проводилось измерение сопротивления резисторов. Измерения производились подряд, без остановок программы и без промежуточной калибровки. На этом этапе определялась погрешность измерения и разброс значений при измерении одной величины. Частота генератора синусоидального сигнала оставалась неизменной и была равна 500 Гц. Резистор номиналом 0,1 Ом, а также два спаянных параллельно резистора номиналом 0,1 Ом измерялись 21 раз. Четыре спаянных параллельно резистора номиналом 0,1 Ом, а также прецизионный резистор номиналом 0,24 Ом измерялись 61 раз для получения более полной картины разброса значений на низких значениях сопротивления. Резисторы номиналом: 0,33 Ом; 0,42 Ом; 0,51 Ом; 0,61 Ом; 0,71 Ом; 0,81 Ом; 0,9 Ом - измерялись по 11 раз. Записывалось среднее значение сопротивления за время измерения равное 5 секундам.

2. На втором этапе измерялось внутреннее сопротивление никель-металлогидридных аккумуляторов на разных частотах. Записывались средние значения проводимости, полного сопротивления, активного сопротивления, реактивного сопротивления и угла сдвига фаз.

3. На третьем этапе снимались значения сопротивления в режиме установки нуля (без исследуемого элемента). Было записано 61 значение. Эти данные необходимы для нахождения случайной прогрешности.

4. На четвертом этапе измерялось сопротивление многожильных проводов различной длины для определения минимальной возможной величины измеряемого сопротивления. Частота генератора оставалась неизменной и была равна 500 Гц. На каждой длине снималось 10 показаний.

6.3 Обработка результатов эксперимента

1. На первом этапе проводилось измерение сопротивления резисторов. Полученные данные сводились в таблицу, вычислялось среднее значение сопротивления, а также среднее абсолютное отклонение по формуле:

, (6.1)

где Дx - средняя абсолютная погрешность;

x_i - i-е измеренное значение;

- среднее значение измеряемой величины;

n - количество измерений.

В таблице 6.1 приведены результаты измерения резисторов номиналом: 0,33 Ом; 0,42 Ом; 0,51 Ом; 0,61 Ом; 0,71 Ом; 0,81 Ом; 0,9 Ом.

Таблица 6.1 - результаты измерения резисторов

	Номинал резистора, Ом
№	0,33	0,42	0,51	0,61	0,71	0,81	0,9
1	0,324	0,421	0,499	0,600	0,735	0,803	0,889
2	0,324	0,422	0,499	0,600	0,735	0,804	0,889
3	0,324	0,422	0,500	0,600	0,735	0,804	0,889
4	0,324	0,422	0,500	0,601	0,735	0,803	0,889
5	0,324	0,422	0,500	0,600	0,735	0,803	0,889
6	0,324	0,422	0,500	0,600	0,735	0,803	0,889
7	0,324	0,421	0,500	0,600	0,735	0,803	0,889
8	0,323	0,421	0,500	0,601	0,735	0,803	0,889
9	0,323	0,421	0,500	0,601	0,735	0,803	0,889
10	0,324	0,421	0,499	0,601	0,735	0,803	0,888
11	0,324	0,421	0,500	0,601	0,735	0,803	0,888

Для более наглядного представления распределения значений, приведем точечные диаграммы для каждого резистора, на которых горизонтальными линиями указаны верхняя и нижняя планки погрешности.