Работа с виртуальными приборами LabView в программной среде Multisim 14.0. Часть 2

№ 4’2016
PDF версия
Программная среда Multisim предоставляет большое количество виртуальных инструментов, предназначенных для генерации тестовых сигналов, а также для измерений и исследования поведения разрабатываемых электрических схем. Если посредством имеющихся приборов не удается решить поставленную задачу, можно прибегнуть к помощи сторонних инструментов, которые импортируются в Multisim из LabView. В статье будет рассмотрена работа со следующими виртуальными приборами LabView в Multisim: прибор измерения передаточной функции (Transfer Function), генератор импульсов с линейной частотной модуляцией (Chirp Advanced).

Все статьи цикла.

Применение дополнительных виртуальных приборов LabVIEW в Multisim расширяет потенциал программы, позволяет выполнять анализ схем и эксперименты, проведение которых было невозможно с набором стандартных виртуальных приборов.

 

Введение

Удобство применения программы Multisim при моделировании электронных устройств заключается в отображении на экране монитора схемы исследуемого устройства и контрольно-измерительных приборов, передние панели которых с органами управления максимально приближены к промышленным аналогам. Для всех приборов доступны изменения режимов их работы и настроек.

Применение виртуальных инструментов — самый простой способ проверить поведение модели созданной схемы. В программной среде Multisim виртуальные инструменты представлены в виде пиктограммы инструмента, которая подключается к разрабатываемой схеме, и панели инструмента, где устанавливаются параметры прибора.

Принцип соединения виртуальных инструментов с элементами схемы такой же, как и для других компонентов схемы. В каждой схеме может использоваться много приборов, в том числе и копии одного и того же устройства. Кроме того, у каждого окна схемы может быть свой набор приборов. Каждая копия прибора настраивается и соединяется отдельно. Использование виртуальных инструментов в Multisim позволяет сравнивать теоретические данные с реальными непосредственно в процессе создания схемы, что снижает количество проектных итераций, число ошибок в прототипах и ускоряет выход продукции на рынок.

Перед тем как запустить симуляцию схемы в Multisim, необходимо обратить внимание на то, чтобы используемые в схеме виртуальные приборы были правильно настроены. Данное замечание достаточно важно, поскольку в некоторых случаях установка параметров по умолчанию может не подходить для вашей схемы, а установка пользователем некорректных параметров станет причиной того, что полученные результаты окажутся неверными или трудно читаемыми. При появлении проблем в процессе симуляции схемы возникшие ошибки записываются в файл журнала ошибок и аудита, который можно просмотреть, выбрав в основном меню «Моделирование» пункт «Журнал моделирования/анализа». Следует отметить, что настройки виртуальных приборов можно изменять и во время симуляции.

 

Использование дополнительных виртуальных приборов LabView в Multisim

В Multisim есть возможность работы с виртуальными приборами LabView. Некоторые из них поставляются вместе с самой программой и уже были рассмотрены в [1], другие же можно добавить в систему самостоятельно. На сайте National Instruments по адресу [5] для свободного скачивания предложено 44 виртуальных инструмента, предназначенных для импорта в Multisim. После распаковки архива с нужным прибором мы получим два файла с расширением .llb и .dll. Для того чтобы импортировать новый прибор LabView в Multisim, необходимо скопировать эти файлы в каталог по адресу C:\Users\Public\Documents\National Instruments\Circuit Design Suite 14.0\LVInstruments и перезапустить программу Multisim. Импортированные виртуальные инструменты доступны для работы из меню приборов LabView, открыть которое можно посредством нажатия значка стрелки возле пиктограммы «Приборы LabVIEW», расположенной на панели инструментов «Приборы» (рис. 1). При этом дополнительные приборы в меню отделены от стандартных строкой «Выбранные приборы LV». Чтобы добавить необходимый прибор в рабочее поле программы, нужно левой кнопкой мыши выбрать строку с его названием в этом меню и разместить его на схеме. Для того чтобы отобразить лицевую панель прибора, необходимо дважды щелкнуть левой кнопкой мыши на пиктограмме прибора на схеме.

Меню виртуальных приборов LabView в Multisim

Рис. 1. Меню виртуальных приборов LabView в Multisim

Рассмотрим подробно работу с некоторыми из дополнительных виртуальных инструментов LabView в Multisim.

Виртуальный прибор измерения передаточной функции Transfer Function

Передаточной функцией называется отношение мгновенных значений выходного и входного сигнала. Передаточная функция только описывает поведение системы в терминах «вход/выход» и не несет никакой информации о внутренних переменных системы и характере их изменения. Нахождение этой функции является значимым вычислением для аналоговых и цифровых схем.

Для фильтров систем обратной связи всегда важно найти изменение коэффициента усиления системы, а также то, как изменение в частотной области влияет на время отклика и изменение выходных сигналов. Передаточная функция используется для анализа этих изменений и получения одной функции для их описания в системе.

Инструмент LabView Transfer Function выполняет расчет передаточной функции между входным источником и выходной переменной в схеме. Результаты отображаются после запуска симуляции схемы на графическом дисплее, расположенном на вкладке Transfer Function лицевой панели прибора. Перед началом симуляции необходимо произвести настройку параметров прибора Transfer Function.

Рассмотрим подробнее работу с данным виртуальным устройством. Для этого поместим инструмент в рабочем поле программы (рис. 2) и подключим его вывод Stim к источнику сигнала, а вывод Resp к выходу схемы (рис. 3). Настройка параметров прибора выполняется на его лицевой панели, которую можно открыть двойным щелчком левой кнопки мыши по пиктограмме данного прибора в рабочем поле программы. Лицевая панель прибора разделена на две вкладки: Transfer Function и Setup. Результаты работы прибора выводятся на вкладке Transfer Function на три графических дисплея в виде графиков зависимости амплитуды от времени (рис. 4а), коэффициента усиления напряжения от частоты, фазы от частоты (рис. 4б). Переключение отображения графиков выполняется тумблером Freq Plot/Time Plot, расположенным в нижней правой части вкладки Transfer Function. Параметры прибора настраиваются на вкладке Setup (рис. 5). Рассмотрим данную вкладку более подробно. В ее верхней левой части расположено поле Sampling («Дискретизация»), в котором устанавливаются значения следующих параметров:

  • Sampling Rate [Hz] — частота дискретизации;
  • Interpolation Method — метод интерполяции;
  • Sample Size — размер выборки;
  • df [Hz] — частотное разрешение.

Пиктограмма виртуального прибора Transfer Function в рабочей области программы Multisim и его лицевая панель

Рис. 2. Пиктограмма виртуального прибора Transfer Function в рабочей области программы Multisim и его лицевая панель

Подключение прибора Transfer Function к схеме инвертирующего операционного усилителя

Рис. 3. Подключение прибора Transfer Function к схеме инвертирующего операционного усилителя

Вкладка Transfer Function прибора измерения передаточной функции

Рис. 4. Вкладка Transfer Function прибора измерения передаточной функции:
а) график зависимости амплитуды от времени;
б) графики зависимости коэффициента усиления напряжения от частоты и фазы от частоты

Вкладка Setup прибора измерения передаточной функции

Рис. 5. Вкладка Setup прибора измерения передаточной функции

В верхней правой части вкладки Setup находится поле Transfer Function Display, в котором путем установки/снятия флажков в чекбоксах настраиваются параметры отображения передаточной функции. Параметр Unwrap Phase определяет развертку фазы. Если флажок в чекбоксе, который соответствует данному параметру, установлен, виртуальный прибор производит развертку массива значений фазы, удаляя разрывы, чьи значения превышают π. Задать значения передаточной функции в децибелах можно установкой флажка рядом с параметром Mag in dB, если флажок снят — установка значений будет выполнена в относительных единицах. Установка флажка в чекбоксе рядом с параметром Deg задает отображение значений фазы в градусах, если флажок снят — установка значений будет выполнена в радианах. Задать логарифмическую шкалу можно установкой флажка рядом с параметром Log X Scale.

Параметры быстрого преобразования Фурье (БПФ) настраиваются в поле FFT Processing Options с помощью следующих опций:

  • Window — выбор оконной функции: Dolph — Chebyshev (окно Дольфа — Чебышева), Kaiser (Кайзера), Welch (Уэлча), Parzen (Парзена), Bohman (Бохмана), Bartlett — Hanning (модифицированное окно Бартлетта — Ханна), Triangle (треугольное окно), Blackman — Nuttall (Блэкмана — Нуталла), Low Sidelobe (с низким уровнем боковых лепестков), 7 Term B‑Harris (семизвенное Блэкмана — Хэрриса), 4 Term B‑Harris (четырехзвенное Блэкмана — Хэрриса), Flat Top (плосковершинное окно), Blackman (Блэкмана), Exact Blackman (точное Блэкмана), Blackman — Harris (Блэкмана — Хэрриса), Hamming (Хэмминга), Hanning (окно Ханна), Rectangle (прямоугольное окно), Gaussian (Гауссовское);
  • Window Param — параметр окна;
  • FFT Averaging — усреднение Фурье: Avg Mode (режим усреднения: Peak hold — пиковых значений, RMS averaging — среднеквадратичное усреднение, Vector — векторное усреднение, No averaging — без усреднения), Mode (режим: Linear — линейный, Exponential — экспоненциальный), Averages (установка числа усреднений), Restart Avg (перезапустить усреднение).

Параметр Averages определяет число усреднений, которое используется при среднеквадратичном и векторном усреднениях. Если выбран экспоненциальный режим, то процесс усреднения выполняется непрерывно. При выборе линейного режима процесс усреднения останавливается после вычисления установленного числа усреднений.

Быстрое преобразование Фурье позволяет математически получать из временной зависимости сигнала его частотные компоненты, то есть проводить спектральный анализ сигнала.

Оконная функция БПФ используется для подавления краевых эффектов разрывности реальных функций путем введения весовых коэффициентов для выборки данных в окне, обеспечивающих снижение амплитуд краевых точек (старта и стопа) и в итоге улучшение результатов БПФ.

Разные виды оконных функций дают различные результаты как по точности, так и по частотному разрешению и используются для разных видов анализируемых сигналов (рис. 6). То есть каждая оконная функция является определенным компромиссом между разрешающей способностью по частоте и точностью определения амплитуды. В зависимости от области применения, от характеристик источника сигнала и ряда других параметров следует выбирать ту или иную оконную функцию.

К примеру, оконная функция Rectangle (прямоугольное окно) реализует отличное разрешение по частоте и наихудшее разрешение по амплитуде. Прямоугольный — наилучший тип для спектрального анализа непериодических сигналов и измерения частотных компонентов вблизи постоянного сигнала. Это окно подходит для сигналов, не имеющих разрывов, то есть для большинства сигналов.

Выбор окна Ханна (Hanning) обеспечивает большую точность измерения по частоте, но меньшую точность измерения по амплитуде по сравнению с плосковершинным окном (Flat Top), которое имеет наилучшую точность для амплитуды из всех типов, но проигрывает по селективности частоты.

Результаты, представленные на рис. 6, были получены при следующих настройках прибора Transfer Function:

  • Sampling Rate [Hz] — 100 000;
  • Interpolation Method — Linear;
  • Sample Size — 1000;
  • df [Hz] — 99,9;
  • Unwrap Phase — флажок установлен;
  • Mag in dB — флажок установлен;
  • Deg — флажок установлен;
  • Log X Scale — флажок установлен;
  • Window Param — 1;
  • Avg Mode — RMS averaging;
  • Mode — Linear — линейный;
  • Averages — 10;
  • Software LPF — флажок снят.
Результат быстрого преобразования Фурье

Рис. 6. Результат быстрого преобразования Фурье:
а) окно Дольфа — Чебышева;
б) окно Уэлча;
в) окно Парзена;
г) окно Бохмана;
д) окно Блэкмана — Нуталла;
е) плосковершинное окно;
ж) окно Ханна;
з) Гауссовское окно

В нижней левой части вкладки Setup находится поле настройки параметров фильтра нижних частот Software LPF, в котором можно задать следующие опции:

  • Software LPF — назначение фильтра выполняется посредством установки флажка в чекбоксе;
  • Fs (частота дискретизации) — этот параметр определяет частоту выборок, его значение должно быть больше нуля;
  • Order (порядок) — этот параметр определяет порядок фильтра, который должен быть больше нуля;
  • Topology (топология) — топология определяет тип модели фильтра:
    • Butterworth (Баттерворта) — частотная характеристика фильтра Баттерворта характеризуется гладкостью на всех частотах и монотонностью спада, начинающейся с некоторой частоты среза (частоты, на которой мощность выходного сигнала уменьшается в два раза). Фильтры Баттерворта имеют максимально плоскую характеристику в полосе пропускания и ноль в полосе заграждения. При фиксированной частоте среза крутизна характеристики зависит от порядка фильтра. Графики зависимости коэффициента усиления напряжения от частоты и фазы от частоты до и после установки фильтра Баттерворта показаны на рис. 7. При этом были заданы следующие опции фильтра нижних частот: Fs — 5k, Order — 6, а в поле Window установлена оконная функция Кайзера;
    • Chebyshev (Чебышева) — фильтры Чебышева минимизируют амплитуду ошибки в полосе пропускания, имеют более узкую переходную полосу (большую крутизну спада) и обеспечивают максимально плоскую характеристику в полосе заграждения. Равномерная характеристика в полосе пропускания ограничивается максимальной допустимой величиной ошибки (величиной выброса). Фильтры Чебышева минимизируют амплитуду ошибки в полосе заграждения и обеспечивают максимально плоскую характеристику в полосе пропускания. При этом крутизна характеристики в переходной полосе превышает крутизну фильтра Баттерворта при том же порядке, что позволяет уменьшить абсолютную ошибку и повысить скорость обработки сигнала. Графики зависимости коэффициента усиления напряжения от частоты и фазы от частоты до и после установки фильтра Чебышева показаны на рис. 8. Были заданы следующие опции фильтра нижних частот: Fs — 6k, Order — 5, а в поле Window установлена оконная функция Triangle;
    • Elliptic (эллиптический) — эллиптические фильтры минимизируют величину ошибки, распределяя ее по полосе пропускания и по полосе заграждения. По сравнению с фильтрами Баттерворта и фильтрами Чебышева эллиптические фильтры обеспечивают самую высокую крутизну переходной области. Графики зависимости коэффициента усиления напряжения от частоты и фазы от частоты до и после установки эллиптического фильтра показаны на рис. 9. При этом были заданы следующие опции фильтра нижних частот: Fs — 4k, Order — 4, а в поле Window установлена оконная функция Low Sidelobe. Отметим, что опции фильтра нижних частот и оконная функция на вкладке Setup окна настроек Transfer Function были заданы произвольным образом.

Графики зависимости коэффициента усиления напряжения от частоты и фазы от частоты

Рис. 7. Графики зависимости коэффициента усиления напряжения от частоты и фазы от частоты:
(а) до и (б) после установки фильтра Баттерворта

Графики зависимости коэффициента усиления напряжения от частоты и фазы от частоты

Рис. 8. Графики зависимости коэффициента усиления напряжения от частоты и фазы от частоты:
(а) до и (б) после установки фильтра Чебышева

Графики зависимости коэффициента усиления напряжения от частоты и фазы от частоты

Рис. 9. Графики зависимости коэффициента усиления напряжения от частоты и фазы от частоты:
(а) до и (б) после установки эллиптического фильтра

Скачать виртуальный инструмент Transfer Function можно на сайте National Instruments по адресу [6].

Генератор импульсов с линейной частотной модуляцией Chirp Advanced

Линейно частотно-модулированный сигнал представляет собой последовательность импульсов, в которой период каждого импульса на определенную величину больше (или меньше) периода предыдущего импульса. Для создания линейно частотно-модулированных сигналов в Multisim можно использовать виртуальный генератор, в качестве которого используется Chirp Signal Generator Advanced — виртуальный прибор LabView.

Chirp Signal Generator Advanced (расширенный многофункциональный генератор линейно частотно-модулированных сигналов с широким набором регулируемых параметров) выдает данные как источник сигнала, который Multisim использует в процессе симуляции. Перед началом симуляции необходимо произвести настройку параметров генератора.

Рассмотрим подробнее работу с данным виртуальным прибором. Для чего разместим генератор в рабочем поле программы и подключим его выход Chirp к каналу А двухканального осциллографа. Настройка параметров генератора выполняется на его лицевой панели, которую можно открыть двойным щелчком левой кнопкой мыши по пиктограмме данного прибора в рабочем поле программы. Пиктограмма генератора на схеме и его лицевая панель представлены на рис. 10. На рис. 11 показано подключение прибора к виртуальному двухканальному осциллографу и лицевая панель осциллографа.

Пиктограмма генератора Chirp Advanced на схеме и его лицевая панель

Рис. 10. Пиктограмма генератора Chirp Advanced на схеме и его лицевая панель

Подключение инструмента Chirp Advanced к виртуальному двухканальному осциллографу и лицевая панель осциллографа

Рис. 11. Подключение инструмента Chirp Advanced к виртуальному двухканальному осциллографу и лицевая панель осциллографа

Лицевая панель генератора Chirp Advanced разделена на две вкладки (рис. 12): Chirp и Setup. Набор параметров, доступных для настройки на вкладке Setup, может различаться в зависимости от выбранного в поле Configuration закона изменения амплитуды линейно частотно-модулированного (ЛЧМ) сигнала. Генерируемый сигнал отображается в окне графического дисплея на вкладке Chirp.

Окно отображения и настроек линейно частотно-модулированного сигнала

Рис. 12. Окно отображения и настроек линейно частотно-модулированного сигнала:
а) вкладка Chirp;
б) вкладка Setup

Генератор позволяет формировать ЛЧМ-сигнал согласно с выбранным в поле Configuration типом модуляции: Exponential Increase Chirp (ЛЧМ-сигнал, амплитуда которого нарастает по экспоненциальному закону) — рис. 13, Exponential Decay Chirp (ЛЧМ-сигнал, амплитуда которого спадает по экспоненциальному закону) — рис. 14, Standard Linear Chirp (стандартный ЛЧМ-сигнал) — рис. 15, Amp Modulated Chirp (амплитудно-модулированный ЛЧМ-сигнал) — рис. 16, а также с законом изменения частоты ЛЧМ-сигнала: Hold at Freq (генерация одного цикла ЛЧМ-сигнала с последующей установкой периодического сигнала), Hold at Final (генерация одного цикла ЛЧМ-сигнала с последующей установкой постоянного напряжения), Reverse Chirp (генерация реверсивного ЛЧМ-сигнала).

Осциллограммы ЛЧМ-сигнала, амплитуда которого нарастает по экспоненциальному закону

Рис. 13. Осциллограммы ЛЧМ-сигнала, амплитуда которого нарастает по экспоненциальному закону.
Закон изменения частоты сигнала:
а) Hold at Freq;
б) Hold at Final;
в) Reverse Chirp

Осциллограммы ЛЧМ-сигнала, амплитуда которого спадает по экспоненциальному закону

Рис. 14. Осциллограммы ЛЧМ-сигнала, амплитуда которого спадает по экспоненциальному закону.
Закон изменения частоты сигнала:
а) Hold at Freq;
б) Hold at Final;
в) Reverse Chirp

Осциллограммы стандартного ЛЧМ-сигнала

Рис. 15. Осциллограммы стандартного ЛЧМ-сигнала.
Закон изменения частоты сигнала:
а) Hold at Freq;
б) Hold at Final;
в) Reverse Chirp

Осциллограммы амплитудно-модулированного ЛЧМ-сигнала

Рис. 16. Осциллограммы амплитудно-модулированного ЛЧМ-сигнала.
Закон изменения частоты сигнала:
а) Hold at Freq;
б) Hold at Final;
в) Reverse Chirp

В нижней части вкладки Setup можно задать значения следующих параметров ЛЧМ-сигнала:

  • Freq Initial — начальная частота;
  • Freq Final — конечная частота;
  • Amplitude — амплитуда;
  • Sample Rate [Hz] — частота дискретизации;
  • Sample — выборка;
  • Amplitude Final — амплитуда сигнала при достижении конечной частоты;
  • Modulation Freq — частота модулирующего сигнала;
  • K — коэффициент сжатия.

Результаты работы прибора будут получены после запуска симуляции схемы и нажатия на кнопку Generate на вкладке Setup. Необходимо отметить, что чем выше значение частоты дискретизации, тем выше качество выходного сигнала. Осциллограммы, представленные на рис. 13–16, получены при следующих настройках прибора Chirp Advanced:

  • Freq Initial — 10;
  • Freq Final — 600;
  • Amplitude — 1;
  • Sample Rate [Hz] — 100 000;
  • Sample — 2000;
  • Amplitude Final — 0,1;
  • Modulation Freq — 1;
  • K — 250.

Напомним: для того чтобы использовать виртуальный двухканальный осциллограф, необходимо нажать на его пиктограмму на панели инструментов «Приборы» и разместить его с помощью мыши в рабочей области проекта. Для отображения лицевой панели прибора нужно дважды щелкнуть левой кнопкой мыши на пиктограмме осциллографа на схеме. После того как панель откроется, сделайте соответствующие настройки подобно тому, как бы вы это сделали на панели реального прибора. Принцип соединения виртуального осциллографа с элементами схемы такой же, как и для других компонентов схемы. Виртуальный двухканальный осциллограф предоставляет возможность наблюдать за формой сигнала во времени. Каждый канал имеет сигнальный вход и контакт заземления. В программе Multisim осциллограф заземлен по умолчанию, поэтому контакт заземления можно не использовать. В верхней части лицевой панели расположен графический дисплей, предназначенный для графического отображения формы сигнала, а именно для отображения напряжения по вертикальной оси и соответственно времени по горизонтальной оси. Также прибор оснащен двумя курсорами для проведения измерений во временной области, которые при необходимости можно перемещать при помощи левой кнопки мыши. В нижней части находится панель управления, предназначенная для настройки отображения измеряемого сигнала. Более подробно работа с виртуальным двухканальным осциллографом рассмотрена в [10].

В нашем случае виртуальный двухканальный осциллограф используется для графического отображения формы ЛЧМ-сигнала, полученного на выходе виртуального генератора Chirp Advanced. Скачать виртуальный инструмент Chirp Advanced можно на сайте National Instruments по адресу [7].

 

Заключение

Инженеры используют разнообразные измерительные приборы для наблюдения и контроля при выполнении исследований и проектировании, тестировании и производстве электронных изделий, при разработке и совершенствовании систем управления механизмами и технологическими процессами в многочисленных отраслях промышленности.

Технология виртуальных измерительных приборов объединяет аппаратные средства и программное обеспечение с промышленными компьютерными технологиями для решения измерительных задач, причем свойства этих решений в значительной степени определяются пользователями. Виртуальную измерительную систему можно собрать из различных программных компонентов.

Технология виртуальных измерительных приборов может быть использована для создания готовых к применению специализированных систем измерения и тестирования, а также систем промышленной автоматизации путем объединения различных аппаратных и программных компонентов. При внесении изменений в системы, как правило, можно повторно использовать одни и те же компоненты виртуальных приборов, не приобретая дополнительные технические средства и программное обеспечение.

Основной задачей всех измерительных систем является измерение и/или генерация реальных физических сигналов. Обработка исходных данных путем аппроксимации, статистического анализа, получения частотных характеристик и других математических операций превращает эти данные в информацию, готовую к последующей интерпретации. Виртуальные измерительные приборы помогают получать, анализировать и представлять результаты измерений в виде, наиболее удобном для использования (таблицы/графики).

Литература
  1. Колесникова Т. Работа с виртуальными приборами в программной среде NI Circuit Design Suite — Multisim 12.0. Часть 5 // Компоненты и технологии. 2014. № 5.
  2. Колесникова Т. Работа с виртуальными приборами LabView в программной среде Multisim 14.0 // Компоненты и технологии. 2016. № 3.
  3. NI Circuit Design Suite — Getting Started Guide. National Instruments, April 2015.
  4. Multisim Help. National Instruments, April 2015.
  5. decibel.ni.com/content/groups/multisim-custom-simulation-analyses-and-instruments-powered-by-labview?view=documents#/?tagSet=1481/ссылка утрачена/
  6. decibel.ni.com/content/docs/DOC‑21201/ссылка утрачена/
  7. decibel.ni.com/content/docs/DOC‑21166/ссылка утрачена/
  8. Суранов А. Я. LabVIEW 8.20. Справочник по функциям. М.: ДМК-Пресс, 2007.
  9. Руководство пользователя. National Instruments, 2007.
  10. Колесникова Т. Работа с виртуальными приборами в программной среде NI Circuit Design Suite — Multisim 12.0. Часть 2 // Компоненты и технологии. 2014. № 2.
  11. Измерения в LabVIEW. Руководство по применению. Учебный центр «Центр технологий National Instruments». Новосибирский государственный технический университет, 2006.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *