Размещено на http://www.allbest.ru/

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА

федеральное государственное бюджетное образовательное

учреждение высшего образования

«ОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ»

(ОмГУПС (ОмИИТ))

Кафедра «Теоретическая электротехника»

КОМПЬЮТЕРНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В ПРИБОРОСТРОЕНИИ

Пояснительная записка к курсовой работе

по дисциплине «Компьютерные технологии в приборостроении»

ИНМВ.400012.000ПЗ

Студентка гр. 15 Ж

В. И. Мацак

Руководитель -

доцент кафедры ТЭ

А. Г. Зверев

Омск 2018



Задание на курсовую работу

Студенту группы 15ж Мацак Виктории Игоревны

2017/2018 учебный год

1. Тема курсовой работы: Компьютерные технологии в приборостроении

2. Срок сдачи студентом завершенной работы: 24.05.2018 г.

3. Необходимые данные для выполнения работы:

3.1. Создать модель двухканальный осциллограф в виде виртуального прибора в программно-инструментальной среде LabVIEW 10.

Предусмотреть возможность работы виртуального прибора со стендом ElvisII в качестве измерительного устройства.

Лицевая панель виртуального прибора должна быть оформлена по образцу реального устройства.

Виртуальный прибор должен работать в нескольких диапазонах измерений.

3.2. Создать виртуальный прибор для разложения заданного несинусоидального напряжения в ряд Фурье.

Виртуальный прибор должен по заданным пользователем исходным данным осуществить разложение несинусоидального периодического напряжение в ряд Фурье с выводом на экран результатов как минимум одной из форм представления результата: аналитической, табличной или графической.

Номер варианта	Координаты точек	Вид симметрии
	u, В	t, градусы
	0	1	2	3	4	0	1	2	3	4
5	0	100	100	100	0	0	45	105	150	0	Относительно оси абсцисс

4. Содержание пояснительной записки (перечень вопросов для разработки): описание принципа работы моделируемого прибора; классификация реальных приборов; математическая модель и графическая схема алгоритма виртуального прибора; обоснование выбора и краткое описание особенностей программной среды разработки; копии экранов ПК с лицевыми панелями и панелями блок-диаграмм разработанных виртуальных приборов.

В виде приложения к курсовой работе представить файлы разработанных виртуальных приборов.

5. Дата выдачи задания: 24.02.2018



Реферат

УДК 621.3

Курсовой проект содержит 28 страниц , 19 рисунков, 1 таблица, 6 источников.

Программная среда LabVIEW, виртуальный прибор, двухканальный осциллограф, ряд Фурье.

Цель работы - создать виртуальный двухканальный осциллограф в программной среде LabVIEW, создать виртуальный прибор для разложения заданного несинусоидального напряжения в ряд Фурье.

При выполнении курсовой работы были использованы программные средства: Microsoft Office Word 2007, LabVIEW, Paint, Mathcad 15.



Содержание

Введение

1. Классификация осциллографов

1.1 Осциллограф GDS-2104

1.2 Понятие Ряд Фурье

2. Программное обеспечение управления устройством

2.1 Электронный цифровой двухканальный осциллограф в LabVIEW

2.2.1 Лицевая панель виртуального прибора

2.2 Принцип работы

2.3 Математическая модель разработанного прибора.

3. Ряд Фурье

3.1 Создание прибора для разложения заданного несинусоидального напряжения в ряд Фурье

Заключение

Библиографический список



Введение

В настоящее время с совершенствованием науки и техники появляется необходимость совершенствования учебного процесса, чтобы будущие специалисты соответствовали своему времени, а потому в процессе обучения используются различные технические средства. Такими средствами можно назвать: учебную лабораторию NI ELVIS (NationalInstrumentsEducationalLaboratoryVirtualInstrumentationSuite), в состав которой входит комплект виртуальных измерительных приборов, и среду программирования LabVIEW (LaboratoryVirtualInstrumentsEngineeringWorkbench), которая используется при разработке приложений для измерения и сбора данных, управления измерительными приборами, анализа данных измерений и составления отчетов. Современное приборостроение нуждается в постоянном внедрении новых эффективных и компактных устройств. Таковыми являются цифровые приборы, которые получили огромное применение в электротехнике. Одно из таких устройств - двухканальный осциллограф.

Целью курсовой работы является создание в этой программной среде измерительного прибора, способного заменить реальный осциллограф. Создать виртуальный прибор для разложения заданного несинусоидального напряжения в ряд Фурье.



1. Классификация осциллографов

Осциллограф - прибор, преобразующий электрические входные сигналы в видимую форму, отображаемую на экране, т. е. преобразует электричество в свет. Осциллограф динамически строит графики электрических сигналов, изменяющихся по времени, в двух измерениях (обычно напряжение и время). Осциллографы предназначены для визуализации амплитудных изменений подаваемого на них сигнала во временном разрезе и позволяют наблюдать, измерять, а также записывать этот сигнал.

По назначению и принципу действия осциллографы бывают: универсальные, скоростные, стробоскопические, запоминающие и специальные.

Универсальный осциллограф, приведенный на рисунке 1, позволяет исследовать сигналы в диапазоне частот от постоянного тока до 350 МГц при длительности временных интервалов от долей м/сек до сотен м/сек и величинами входных напряжений от единиц мкВ до 50 В.



Рисунок 1 - ПРОФКИП С1-151/1М осциллограф универсальный

Скоростные предназначены для наблюдения однократных импульсов или сигналов с частотами до единиц. Электрическая схема такого осциллографа изображена на рисунке 2.

Рисунок 2 - Электрическая схема скоростного осциллографа С7-10А



На рисунке 3 изображен стробоскопический осциллограф, который позволяет исследовать сигналы от постоянного тока до нескольких ГГц с амплитудой от нескольких мВ до нескольких В.

Рисунок 3 - Внешний вид цифрового стробоскопического осциллографа

В запоминающихся осциллографах используются электроннолучевые трубки с послесвечением. Такие осциллографы позволяют наблюдать однократные и редко повторяющиеся сигналы. Запоминающийся осциллограф изображен на рисунке 5.



Рисунок 5 - Осциллограф запоминающий АКИП - 4122 / 3

приложение осциллограф labview фурье

По числу одновременно наблюдаемых сигналов их делят на одно - (рисунок 5), двух - и многоканальные (рисунок 6) осциллографы.

Рисунок 5 - Осциллограмма одноканального цифрового USB осциллографа Simplescope

Осциллограмма многоканального осциллографа представлена на рисунке 6



Рисунок 6 - Осциллограмма многоканального осциллографа

По принципу обработки информации осциллографы делят на аналоговые и цифровые.

Преимуществом аналогового осциллографа, который изображен на рисунке 7, является отсутствие шумов, имеющих по своей сути цифровую природу, а именно отсутствует шум АЦП, который проявляется в виде ступенчатой осциллограммы на цифровых приборах.

Рисунок 7 - Аналоговый осциллограф

Цифровой осциллограф представлен на рисунке 8. Преимущества такого осциллографа:

портативность и небольшой вес

большая полоса пропускания

возможность измерения одиночного сигнала

возможно проведение измерений на экране

цветной дисплей

возможность хранения и печати данных

возможность цифровой обработки сигналов (в виде быстрого преобразования Фурье, сложения, вычитания, интегрирования и пр.)

Рисунок 8 - Цифровой осциллограф

По способу вывода информации и назначению осциллографы бывают для регистрации кривой на фотоленте - это шлейфовые осциллографы с непрерывной разверткой и осциллографы с периодической и непрерывной разверткой.



1.1 Осциллограф GDS-2104

Цифровой осциллограф позволяет одновременно наблюдать на экране сигнал и получать численные значения ряда его параметров с большей точностью, чем это возможно путем считывания количественных величин непосредственно с экрана обычного осциллографа. Цифровой осциллограф изображен на рисунке 9. Параметрами, измеряемыми современными цифровыми осциллографами, являются: амплитуда сигнала, его частота или длительность. На экране осциллографа, помимо собственно осциллограмм, отображается состояние органов управления (длительность развертки и т. п.). Однако этим не ограничиваются возможности цифровых осциллографов. Сопряжение цифровых осциллографов с микропроцессорами позволяет определять действующее значение напряжения сигнала и даже вычислять и отображать на экране преобразования Фурье для любого вида сигнала.

Рисунок 9 - Осциллограф GDS-2104

В устройствах цифровых осциллографов осуществляется полная цифровая обработка сигнала, поэтому в них, как правило, используется отображение на новейших индикаторных панелях.

В современных цифровых осциллографах автоматически устанавливаются оптимальные размеры изображения на экране трубки.

Функциональная схема цифрового осциллографа, которая показана на рисунке 10, содержит аттенюатор входного сигнала; усилители вертикального и горизонтального отклонения; измерители амплитуды и временных интервалов; интерфейсы сигнала и измерителей; микропроцессорный контроллер; генератор развертки; схему синхронизации и электронно-лучевую трубку.

Цифровые осциллографы обеспечивают автоматическую установку размеров изображения, автоматическую синхронизацию, разностные измерения между двумя метками, автоматическое измерение размаха, максимума и минимума амплитуды сигналов, периода, длительности, паузы, фронта и спада импульсов и пр.

Амплитудные и временные параметры исследуемого сигнала определяются с помощью встроенных в прибор измерителей. На основании данных измерений микропроцессорный контроллер производит вычисление требуемых коэффициентов отклонения и развертки и через интерфейс устанавливает эти коэффициенты в аппаратной части каналов вертикального и горизонтального отклонения. Это обеспечивает неизменные размеры изображения по вертикали и горизонтали, а также автоматическую синхронизацию сигнала.

Микропроцессорный контроллер также опрашивает положение органов управления на передней панели, и данные опроса после кодирования снова поступают в контроллер, который через интерфейс включает соответствующий режим автоматического измерения. Результаты измерений индицируются на экране трубки, причем амплитудные и временные параметры сигнала отображаются одновременно.



Рисунок 10 - Функциональная схема цифрового осциллографа.

1.2 Понятие Ряд Фурье

Основные понятия: ряд Фурье, функция, ортогональная система, тригонометрический ряд, функциональный ряд, период. Математика является одной из немногих наук, которые широко используются на практике. Любой производственно-технологический процесс не обходится без фундаментальных математических закономерностей. Эффективное применение различных инструментов математического аппарата позволяет конструировать устройства и автоматизированные агрегаты, способные выполнять операции с высоким уровнем точности, выполнять сложные расчеты и вычисления при проектировании зданий и сооружений, производить необходимые вычисления при геодезических исследованиях. Подобная тесная связь, приводит к взаимному обогащению, как самой математики, так и прикладных дисциплин.

В дальнейшем эти теории используются при решении более широкого круга задач, нежели те, на основе которых они были созданы. Инженерная практика в значительной мере ориентирует и стимулирует развитие математического аппарата. Именно от того, что элементы математики встречаются на производстве практически на каждом шагу, специалистам важно знать и блестяще ориентироваться в области применения тех или иных инструментов анализа и расчета. Например, инженеру-электротехнику для расчетов периодических несинусоидальных процессов следует иметь четкое представление о таком важном понятии, как ряд Фурье. Теперь обратимся к теории. Рассмотрим два наиболее встречающихся типа рядов Фурье.

Ряд Фурье по ортогональной системе функций.

Пусть функция непрерывна на отрезке или имеет на этом отрезке конечное число точек разрыва первого рода. Рядом Фурье такой функции на отрезке по ортогональной системе называется ряд

коэффициенты которого определяются равенствами

Если ряд Фурье функции по системе сходится к в каждой ее точке непрерывности, то говорится, что функция разлагается в ряд по ортогональной системе . Очевидно, что если функция разлагается в ряд по некоторой ортогональной системе функций, то это разложение единственно.

Тригонометрические ряды Фурье. Наиболее широко в электротехнике применяются ряды Фурье по основной тригонометрической системе функций, т. е. по системе функций

Ряд Фурье по основной тригонометрической системе функций называется тригонометрическим рядом Фурье. Он записывается в виде

Коэффициенты и рассчитываются по формулам

Кроме всего этого, стоит сказать о сумме тригонометрического ряда Фурье. Все функции системы являются периодическими с общим периодом . Поэтому если ряд сходится на отрезке , то он сходится и на всей числовой оси, а его сумма периодически повторяет те значения, которые она принимала на отрезке .

Таким образом, можно говорить не только о разложении в тригонометрический ряд Фурье функции на отрезке , но и о разложении в ряд периодической функции, которая будет являться периодическим продолжением (имея период ) на всю числовую ось.

Пример 1:

Формулировка задачи: Вычислить суммарный ток в схеме на рисунке 11

Рисунок 11 - Электрическая цепь

Задано:

; ; ;

Решение:

Сопротивление постоянному току

Постоянная слагающая тока:

Комплексное сопротивление цепи для основной частоты:

Комплексная амплитуда тока основной частоты:

Комплексное сопротивление цепи для утроенной частоты:

Комплексная амплитуда тока третьей гармоники:

Таким образом, искомое значение суммарного тока будет иметь вид:



2. Программное обеспечение управления устройством

Программное обеспечение реализовано с помощью среды потокового графического программирования NI LabVIEW.

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

блочной диаграммы, описывающей логику работы виртуального прибора (ВП);

лицевой панели, описывающей внешний интерфейс ВП.

При написании программы в LabVIEW, пользователь задает последовательность операций преобразования потока данных с помощью блок-диаграммы. На блок-диаграмме помещаются изображения функциональных узлов, соединенных проводниками, по которым поток данных переходит от одного узла к другому.

2.1 Электронный цифровой двухканальный осциллограф в LabVIEW

2.2.1 Лицевая панель виртуального прибора

На рисунке 12 представлена лицевая панель осциллографа.

Виртуальный прибор имеет интерфейс схожий с обычным аналоговым осциллографом, а на экране исследуемые сигналы показаны разными цветами. Первому каналу соответствует зеленый цвет, второму - ярко зеленый.

Кроме того в приборе имеется стандартная сетка, которая позволяет измерять амплитуду и длительность сигналов.

В левой части панели присутствуют ручки регулировки развертки по вертикали (вольт/деление) для каждого канала, а также цветовая маркировкаи возможность его отключения. Вертикальная развертка. Имеется ползунок, позволяющий сдвигать сигнал по вертикали на нужное число делений.

Рисунок 12 - Лицевая панель осциллографа

В нижней части лицевой панели есть ручка изменения развертки по времени. Также есть цифровые табло данных, снятых с исследуемых сигналов, а именно действительное напряжение, размах, частота.

2.2 Принцип работы

Алгоритм работы виртуального прибора приведён на рисунке 13.

С помощью стенда NIELVIS осуществляется сбор данных с двух аналоговых входов. Далее каждый сигнал масштабируется по амплитуде, по времени, и выводится на экран и цифровые табло виртуального осциллографа.



Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 13 - Графическая схема алгоритма работы виртуального прибора

Блок-диаграмма разработанного прибора в программе LabVIEW приведена на рисунке 14.

Рисунок 14 - Блок-диаграмма разработанного прибора



2.3 Математическая модель разработанного прибора.

(1),

Уравнение (1) зависимость выходного от входного сигнала.

(2),

Уравнение (2) переходная функция, где а - коэффициент равный 0 или 1,

b- коэффициент масштабирования, с - значение сдвига по вертикали.

(3),

(4),

Уравнение (3) и (4) переходная функция для первого и второго сигнала соответственно.

а₁, a₂ - коэффициенты отвечающие за отключение и включение канала. При нулевом значении канал будет выключен, так как сигнал множится на ноль, при значении равном единице, канал включен, сигнал не изменяется.

b₁,b₂ - коэффициенты отвечающие за масштаб по амплитуде.

с₁, с₂ - находится в диапазоне от - 0,7 до 0,7.



3. Ряд Фурье

3.1 Создание прибора для разложения заданного несинусоидального напряжения в ряд Фурье

Исходные данные для расчета коэффициентов ряда Фурье представлены в таблице 3.1

Таблица 3.1 - исходные данные первого варианта

Номер варианта	Координаты точек	Вид симметрии
	u, В	t, градусы
	0	1	2	3	4	0	1	2	3	4
1	0	100	100	100	0	0	45	105	150	0	Относительно оси абсцисс

Полученный график по исходным данным разобьем на 12 частей и сделаем симметрию относительно оси абсцисс (рисунок 15)

Рисунок 15 - График зависимости uотt

Графическая схема алгоритма работы прибора для расчёта коэффициентов ряда Фурье в программном обеспечении LabVIEW 10 представлена на рисунке 16.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 16 - Графическая схема алгоритма ряда Фурье

Рассчитаем коэффициенты ряда Фурье в программе Mathcad. Копия экрана расчета представлена на рисунке 17.



Рисунок 17 - Расчет коэффициента ряда Фурье в программе Mathcad

Внешний вид разработанного прибора представлен на рисунке 18



Рисунок 18 - Внешний вид прибора для расчета коэффициентов ряда Фурье и построения графика

Копия экрана блок - диаграммы прибора представлена на рисунке 19



Рисунок 19 - Копия экрана блок-диаграммы разработанного прибора



Заключение

По окончанию выполнения курсового проекта была создана модель двухканального осциллографа в виде виртуального прибора в программно-инструментальной среде LabVIEW 10 , который можно использовать при выполнении лабораторных работ по разным дисциплинам. А также прибор для разложения заданного несинусоидального напряжения в ряд Фурье, рассчитаны коэффициенты ряда Фурье в Mathcad и NIELVIS, были получены одинаковые значения.



Библиографический список

1. Афонский А.А., Дьяконов В.П. Измерительные приборы и массовые электронные измерения. Серия «Библиотека инженера». Под ред. проф. В. П. Дьяконова. М.: СОЛОН-ПРЕСС, 2007. - 544 с.: ил.

2. Бутырин П.А., Васьковская Т.А., Каратаева В.В., Материкин С.В. Автоматизация физических исследований и эксперимента: компьютерные измерения и виртуальные приборы на основе Lab VIEW 7/ Под.ред. Бутырина П. А. -М.: ДМК Пресс, 2005. 264 с.: ил.

3. Евдокимов Ю.К., Линдваль Р.В., Щербаков Г.И. LabVIEW для радиоинженера: от виртуальной модели до реального прибора. Практическое руководство для работы в программной среде LabVIEW. - М.: ДМК Пресс, 2007. 400 с.

4.http://www.avclub.pro/articles/audio-video-ot-a-do-ya/bazovye-izmeritelnye-pribory-ostsillograf-risuyushchiy-signal/

5. http://studopedia.ru/8_199938_tsifrovie-ostsillografi.html

6.http://tehtab.ru/Guide/GuideMathematics/SeriesOfTaylorMaklorenFourier/FourierSeries/

Размещено на Allbest.ru