Работа с виртуальными приборами LabView в программной среде Multisim 14.0. Часть 3
В статье рассмотрена работа со следующими виртуальными приборами LabView в Multisim: генератор сигналов, заданных математическими выражениями (Expression Source), генератор сигналов, заданных математическими формулами (Formula Simple), генератор ступенчато-изменяющегося напряжения (Riffled Signal Sweep).
Применение генераторов сигналов при разработке электронного оборудования
При проектировании электронного оборудования инженеры выполняют измерения характеристик разрабатываемой схемы для того, чтобы убедиться в ее соответствии требованиям технического задания во всем рабочем диапазоне и за его пределами. Такое измерение называется испытанием в предельно допустимых режимах.
Приборы для определения параметров электронного оборудования (например, осциллограф или логический анализатор) способны выполнять измерения лишь в том случае, если на них поступает сигнал. Однако он может отсутствовать, пока на исследуемое устройство не будет подан внешний сигнал. Например, тензометрический усилитель не создает сигнал — он просто усиливает сигнал, поступающий от датчика. Аналогичным образом мультиплексор, подключенный к цифровой шине адреса, не является источником сигналов, а лишь перенаправляет сигнальный трафик, поступающий от счетчиков, регистров и других элементов. Но усилители и мультиплексоры обязательно должны тестироваться прежде, чем начнут работать в составе соответствующей системы. Чтобы использовать регистрирующий прибор для оценки поведения таких устройств, нужно подать им на вход воздействующий сигнал. Поэтому такая измерительная задача требует законченного решения, обеспечивающего не только измерение, но и создание необходимых сигналов. А набор инструментов для измерения характеристик цифровых схем должен включать источники воздействующего сигнала и регистрирующие приборы.
Генератор, или источник, сигнала представляет собой источник воздействующего сигнала, который совместно с регистрирующим прибором позволяет создать законченное измерительное решение. Оба прибора окружают исследуемое устройство с двух сторон — со стороны входа и со стороны выхода. В зависимости от конфигурации генератор может создавать воздействия в виде аналоговых сигналов, цифровых последовательностей, модулированных сигналов, преднамеренных искажений, шума. Для выполнения эффективных измерений в ходе разработки, определения характеристик или диагностики важно правильно выбрать оба элемента этого решения.
Генератор сигналов функционирует в полном соответствии со своим названием: создает сигналы, используемые в качестве воздействующих в ходе измерений параметров электронных устройств. Большинству схем требуется входной сигнал с изменяющейся во времени амплитудой. Такой сигнал может быть истинным биполярным сигналом переменного тока (пиковые значения которого попеременно поднимаются выше или опускаются ниже нулевого уровня) или может колебаться относительно некоторого уровня постоянного напряжения (положительного или отрицательного). Форма сигнала представляет собой синусоиду или другую периодическую функцию, цифровой импульс, двоичную последовательность или полностью произвольную форму.
Генератор сигналов формирует «идеальные» сигналы или добавляет к сигналу известные искажения (или ошибки) нужной величины и типа. Эта возможность является одним из главных достоинств генератора сигналов, поскольку часто нельзя создать предсказуемые искажения в нужном месте и в нужное время с помощью самой исследуемой схемы. Реакция тестируемого устройства на данные искажения демонстрирует его способность работать в неблагоприятных условиях, выходящих за пределы нормального режима.
Программная среда Multisim предоставляет большое количество виртуальных инструментов, предназначенных для генерации тестовых сигналов. Если посредством имеющихся приборов не удается решить поставленную задачу, можно прибегнуть к помощи сторонних инструментов, которые импортируются в Multisim из LabView.
На сайте National Instruments по адресу [5] предложено для свободного скачивания большое количество генераторов, предназначенных для импорта в Multisim. Некоторые из них будут рассмотрены в настоящей статье.
Применение дополнительных виртуальных приборов LabView в Multisim расширяет возможности программы, позволяет осуществить анализ схем и эксперименты, проведение которых было невыполнимо с комплектом стандартных виртуальных приборов.
Использование дополнительных виртуальных приборов LabView в Multisim
Процесс импорта дополнительных виртуальных приборов LabView в Multisim был подробно рассмотрен в [1] и [2].
Импортированные инструменты доступны для работы из меню приборов LabView, которое открывается нажатием на значок стрелки возле пиктограммы «Приборы LabVIEW», расположенной на панели инструментов «Приборы» (рис. 1). Причем дополнительные приборы в меню отделены от стандартных приборов LabView строкой «Выбранные приборы LV». Для того чтобы в рабочее поле программы добавить необходимый прибор, нужно левой кнопкой мыши выбрать в меню строку с его названием и разместить его с помощью мыши на схеме. Для отображения лицевой панели прибора следует дважды щелкнуть левой кнопкой мыши на пиктограмме прибора на схеме.
Рассмотрим подробно работу с некоторыми из дополнительных виртуальных инструментов LabView в Multisim.
Генератор сигналов, заданных математическими выражениями (Expression Source)
Одна из возможностей создания сигналов заданной формы состоит в описании их математическими выражениями, по которым можно определить значения сигнала в любой момент времени. Математические выражения могут быть представлены в виде формулы (рис. 2а) или математического условия (рис. 2б) — простые по форме сигналы, либо ряда (рис. 2в) — сложные сигналы.
Инструмент LabView Expression Source выполняет формирование сигналов, описанных математическими выражениями. Результаты работы отображаются после запуска симуляции схемы на графическом дисплее, расположенном на лицевой панели прибора (рис. 3). Перед началом симуляции необходимо произвести настройку параметров генератора Expression Source.
Рассмотрим подробнее работу с данным виртуальным инструментом. Для чего разместим его в рабочем поле программы и подключим вывод Expr к каналу А виртуального двухканального осциллографа (рис. 4).
Настройка параметров прибора выполняется на его лицевой панели, которая открывается двойным щелчком левой кнопкой мыши по пиктограмме данного прибора на схеме. На панели размещены следующие поля:
- Expression — поле ввода выражения;
- Status — статус выражения (в этом поле выводится сообщение о наличии или отсутствии ошибок в составленном выражении);
- Functions — выбор математической функции;
- Symbols — выбор математической операции;
- Constants — выбор константы;
- Descriptions — описание выбранной в поле Functions математической функции;
- Duration (sec) — длительность сигнала;
- Data Points — количество точек функции на заданном временном отрезке;
- Sample Rate (Hz) — частота дискретизации;
- Start Time (t0) — время начала формирования сигнала;
- Repeat Data — если флажок в чекбоксе, который соответствует данному параметру, установлен, виртуальный прибор формирует периодически повторяющийся сигнал, в противном случае генератор формирует только один период выходного сигнала (рис. 5, 6).
Для записи формул можно использовать символ переменной x, константы pi и e. Разрешаются знаки операций: «+» (сложение), «–» (вычитание), «/» (деление), «*» (умножение), «^» (возведение в степень). Для изменения приоритета вычислений можно использовать круглые скобки «()».
Выбор функций, символов и констант выполняется в соответствующих полях двойным щелчком левой кнопки мыши, после чего они будут добавлены в поле Expression. Также выражение можно составить и вручную, вводя функции и символы с клавиатуры. Если математическое выражение составлено верно, то в поле Status отобразится сообщение Valid Expression, а расположенный рядом индикатор засветится зеленым цветом; в противном случае выводится сообщение об ошибке, а индикатор светится красным цветом.
Также на лицевой панели прибора размещены кнопки:
- Clear— очистить поле Expression;
- Help— нажатие кнопки приводит к открытию информационного окна, в котором сообщается следующая информация: способ добавления функций в поле Expression (при помощи двойного щелчка левой кнопки мыши по названию выбранной функции в поле Functions, путем перетаскивания нужной функции при помощи левой кнопки мыши), в составляемом выражении может использоваться только переменная x;
- Update Graph— обновление сигнала на экране графического дисплея после изменения его параметров.
На графическом дисплее лицевой панели прибора отображается один период сигнала, сформированного в результате генерации. Результаты, представленные на рис. 7, получены при следующих настройках прибора Expression Source:
- Expression — sinc (12*x)+4*x;
- Duration (sec) — 0,3;
- Data Points — 300;
- Sample Rate (Hz) — 1000;
- Start Time (t0) — 0,01;
- Repeat Data — флажок в чекбоксе установлен.
На рис. 8 показаны осциллограммы сигналов, сформированных с помощью генератора Expression Source и заданных разными математическими выражениями. Соответствующий каждой осциллограмме один период сигнала в окне графического дисплея генератора показан на рис. 9. При этом на лицевой панели прибора были установлены следующие настройки:
- Duration (sec) — 0,2;
- Data Points — 200;
- Sampling Rate (Hz) — 1000;
- Start Time (t0) — 0,01;
- Repeat Data — флажок в чекбоксе установлен.
Напомним: чтобы использовать виртуальный двухканальный осциллограф, необходимо нажать 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 необходимые настройки подобно тому, как это происходит на панели реального прибора. Принцип соединения виртуального осциллографа с элементами схемы такой же, как и для других ее компонентов. 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 воспроизведения формы сигнала, а именно для отображения напряжения по вертикальной оси и соответственно времени по горизонтальной оси. В нижней части находится панель управления, предназначенная для настройки отображения измеряемого сигнала. Более подробно работа с виртуальным двухканальным осциллографом была рассмотрена в [10].
В нашем случае виртуальный двухканальный осциллограф используется для графического представления формы сигнала, полученного на выходе виртуального генератора Expression Source.
Скачать виртуальный инструмент Expression Source можно на сайте National Instruments по адресу [6].
Генератор сигналов, заданных математическими формулами (Formula Simple)
Генератор Formula Simple позволяет задавать форму генерируемых сигналов с помощью математических формул. По принципу действия он аналогичен выше рассмотренному генератору Expression Source. Formula Simple выдает данные как источник сигнала, который Multisim использует в процессе симуляции. Перед началом симуляции необходимо произвести настройку параметров, для чего рассмотрим работу с данным виртуальным прибором более подробно. Разместим генератор в рабочем поле программы (рис. 10) и подключим его выход Wfm к каналу А двухканального осциллографа (рис. 11). Настройка параметров генератора выполняется на его лицевой панели, которую можно открыть двойным щелчком левой кнопкой мыши по пиктограмме прибора на схеме.
На графическом дисплее лицевой панели генератора отображается один период сформированного сигнала, который определяется введенной в поле Formula Setup формулой или математическим выражением.
В отличие от прибора Expression Source, в Formula Simple выражение может быть составлено только вручную путем ввода символов, констант и математических формул с клавиатуры. Если математическое выражение составлено верно, то поле ok? будет пустым, а расположенный рядом индикатор засветится ярко-зеленым цветом, в противном случае в поле выводится сообщение об ошибке, а индикатор отображается темно-зеленым цветом.
Для составления формул и математических выражений могут использоваться следующие переменные:
- t — время;
- w — угловая частота;
- n — значение текущей выборки;
- f — частота;
- a — амплитуда;
- fs — значение частоты дискретизации.
Разрешаются знаки операций: «+» (сложение), «–» (вычитание), «/» (деление), «*» (умножение), «^» (возведение в степень). Для изменения приоритета вычислений можно использовать круглые скобки «()». Для составления математических выражений разрешено применение таких функций: abs (), acos (), asin (), asinh (), atan (), atanh (), ceil (), ci (), cos (), cosh (), cot (), csc (), exp (), expm1 (), floor (), getexp (), gamma (), getman (), int (), intrz (), ln (), lnp1 (), log (), log2 (), si (), sec (), sign (), sin (), sinc (), sinh (), spike (), sqrt (), step (), tan (), tanh ().
Также на лицевой панели прибора можно задать значения следующих параметров сигнала:
- Frequency — частота;
- Amplitude — амплитуда;
- Offset — смещение осциллограммы по оси Y;
- Sample Rate — частота дискретизации;
- Samples — выборка;
- Repeat Data — если флажок в чекбоксе, который соответствует данному параметру, установлен, виртуальный прибор формирует периодически повторяющийся сигнал, в противном случае генератор формирует только один период выходного сигнала.
Кнопка Update используется для обновления сигнала на экране графического дисплея после изменения его параметров.
На рис. 12 показан один период сигнала в окне графического дисплея Formula Simple и периодически повторяющийся сигнал в окне графического дисплея двухканального осциллографа, сформированные при помощи генератора сигналов Formula Simple и описанные разными математическими выражениями.
Представленные результаты получены при следующих настройках прибора Formula Simple:
- Frequency — 580;
- Amplitude — 1;
- Offset — 0;
- Sample Rate — 10 000;
- Samples — 1000;
- Repeat Data — флажок в чекбоксе установлен.
Скачать виртуальный инструмент Formula Simple можно на сайте National Instruments по адресу [7].
Генератор ступенчато-изменяющегося напряжения (Riffled Signal Sweep)
Генераторы ступенчатого напряжения находят широкое применение в аналого-цифровых преобразователях (АЦП), характериографах, формирователях сигналов специальной формы и т. д. К примеру, АЦП последовательного счета содержат генератор ступенчатого напряжения (состоящий из счетчика и цифро-аналогового преобразователя), компаратор и счетчик времени. Принцип действия таких АЦП следующий. Ступенчатый сигнал линейно нарастает от нижнего до верхнего уровня, затем быстро спадает до нижнего уровня. В момент начала нарастания запускается счетчик времени. Когда ступенчатый сигнал достигает уровня входного сигнала, компаратор срабатывает и останавливает счетчик; значение считывается со счетчика и подается на выход АЦП.
При разработке электронных схем в Multisim в качестве генератора ступенчато изменяющегося напряжения можно использовать виртуальный прибор LabView — Riffled Signal Sweep (рис. 13).
Рассмотрим работу с данным инструментом. Разместим генератор в рабочем поле программы и подключим его выход Rif к каналу А двухканального осциллографа (рис. 14). Настройка параметров генератора выполняется на его лицевой панели, которую можно открыть двойным щелчком левой кнопкой мыши по пиктограмме данного прибора в рабочем поле программы.
Лицевая панель генератора разделена на две вкладки (рис. 15): Riffle и Setup. На вкладке Setup доступны для настройки следующие параметры генерируемого сигнала:
- Voltage Initial — начальное значение напряжения;
- Voltage Final — конечное значение напряжения;
- Voltage Step — шаг изменения напряжения;
- Dwell Time — длительность одной ступеньки напряжения;
- Sample Rate [Hz] — частота дискретизации.
Изменение параметра Unique Samples (число ступенек выходного напряжения в одном периоде сигнала) пользователю недоступно. Данный параметр вычисляется генератором на основе введенных пользователем данных.
После того как все параметры настроены, необходимо нажать кнопку Generate Sweep для генерации периодически повторяющегося выходного сигнала, один период которого будет показан на вкладке Riffle в окне графического дисплея.
Установим на вкладке Setup следующие параметры выходного сигнала:
- Voltage Initial — 0;
- Voltage Final — 5;
- Voltage Step — 1;
- Unique Samples — 5 (данный параметр вычисляется генератором);
- Dwell Time — 0,01;
- Sample Rate [Hz] — 10 000.
После чего нажмем на кнопку Generate Sweep и запустим симуляцию схемы. Результаты работы прибора Riffled Signal Sweep: один период ступенчато изменяющегося сигнала в окне графического дисплея генератора на вкладке Riffle и осциллограмма в окне графического дисплея двухканального осциллографа — показаны на рис. 16.
Изменим значения следующих параметров:
- Voltage Initial — –10;
- Voltage Final — 10;
- Voltage Step — 8;
- Unique Samples — 3и сгенерируем сигнал повторно (рис. 17).
Отметим, что опции на вкладке Setup окна настроек Riffled Signal Sweep в обоих примерах были заданы произвольно.
В нижней левой части вкладки Riffle размещена кнопка Riffle (Shuffle Data) (перемешать данные), нажатие которой приводит к произвольной установке шага изменения напряжения для каждой следующей ступеньки одного периода генерируемого сигнала. Результат применения кнопки Riffle (Shuffle Data) приведен на рис. 18, 19. При этом в первом примере генерация сигнала была выполнена при следующих настройках прибора:
- Voltage Initial — –6;
- Voltage Final — 6;
- Voltage Step — 2;
- Unique Samples — 6.
Во втором примере были заданы следующие значения параметров:
- Voltage Initial — –4;
- Voltage Final — 12;
- Voltage Step — 2;
- Unique Samples — 8.
Значения параметров: Dwell Time — 0,05, Sample Rate [Hz] — 1000 одинаковы для обоих примеров.
В верхней правой части вкладки Riffle окна Riffled Signal Sweep находится поле Riffled Set, из которого при помощи щелчка левой или правой кнопки мыши можно вызвать меню настроек отображения сигнала в окне графического дисплея. В данном меню можно задать следующие параметры:
- Plot Visible — видимость сигнала в окне графического дисплея генератора (задается путем установки флажка щелчком левой кнопки мыши в этом поле);
- Common Plots — способ отображения сигнала (рис. 20);
- Color — цвет отображения сигнала (рис. 21);
- Line Style — тип линии (рис. 22);
- Line Width — толщина линии (рис. 23);
- Anti-Aliased — сглаживание линий (задается путем установки флажка щелчком левой кнопки мыши в этом поле);
- Bar Plots — дает возможность создать графики в виде полос с заполнением или без со 100-, 80‑ или 1‑процентной шириной в горизонтальном или вертикальном направлениях (рис. 24);
- Fill Base Line — заполнение. Графики могут быть не заполненными (None) либо иметь заполнение следующего типа: Zero, –Infinity, Infinity (рис. 25);
- Interpolation — интерполяция. Данная опция позволяет определить способ вычерчивания линии между точками данных. В первом режиме не вычерчиваются никакие линии, что удобно для графика, построенного с помощью маркеров (рис. 26);
- Point Style — тип маркера, которым обозначаются точки графика (рис. 27);
- X Scale — задать соответствие шкалы Х оси времени;
- Y Scale — задать соответствие шкалы Y амплитуде сигнала;
- Export — экспорт полученных данных в виде таблицы в Excel или в буфер обмена. На рис. 28 показан один период ступенчато изменяющегося сигнала в окне графического дисплея и таблица данных, полученная в результате экспорта в буфер обмена. При этом в колонке Time — Riffled Set таблицы показаны координаты оси времени, а в колонке Amplitude — Riffled Set — значения амплитуды сигнала.
Скачать виртуальный инструмент Riffled Signal Sweep можно на сайте National Instruments по адресу [12].
Заключение
Многие инженеры считают задачи диагностики неисправностей и проверки разрабатываемых схем исключительно «измерительными» проблемами и полагают, что для их решения вполне достаточно осциллографа или логического анализатора. Однако этим регистрирующим приборам необходим источник воздействий, в качестве которого можно применить генератор сигналов. Сочетание воздействующих приборов с регистрирующими позволяет получить полное решение, способное подавать на исследуемое устройство сложные реалистичные сигналы и регистрировать результирующие выходные параметры. Осциллограф является стандартным регистрирующим прибором. Но лишь генератор сигналов позволяет реально контролировать воздействия, поступающие на вход устройства. А это необходимо для полного понимания того, что будет происходить на выходе данного устройства.
Аналогичным образом генераторы сигналов позволяют выполнять проверку допусков и измерение характеристик. С помощью генератора сигналов и осциллографа или логического анализатора инженеры могут определять предельные режимы работы своих устройств, намеренно создавая максимально неблагоприятные условия посредством источника сигналов и измеряя результаты осциллографом или захватывая данные логическим анализатором при возникновении ошибок.
Поэтому при разработке и тестировании электронных устройств рекомендуется использовать как регистрирующие приборы, так и генераторы сигналов, совместное применение которых образует законченное контрольно-измерительное решение.
- Колесникова Т. Работа с виртуальными приборами LabView в программной среде Multisim 14.0 // Компоненты и технологии. 2016. № 3.
- Колесникова Т. Работа с виртуальными приборами LabView в программной среде Multisim 14.0. Часть 2// Компоненты и технологии. 2016. № 4.
- NI Circuit Design Suite — Getting Started Guide. National Instruments. April 2015.
- Multisim Help. National Instruments. April 2015.
- decibel.ni.com/content/groups/multisim-custom-simulation-analyses-and-instruments-powered-by-labview?view=documents#/?tagSet=1481/ссылка утрачена/
- decibel.ni.com/content/docs/DOC‑27871/ссылка утрачена/
- decibel.ni.com/content/docs/DOC‑27870/ссылка утрачена/
- Суранов А. Я. LabVIEW 8.20. Справочник по функциям. М.: ДМК-Пресс, 2007.
- Руководство пользователя. National Instruments, 2007.
- Колесникова Т. Работа с виртуальными приборами в программной среде NI Circuit Design Suite — Multisim 12.0. Часть 2 // Компоненты и технологии. 2014. № 2.
- Генераторы сигналов от А до Я / Учебное пособие. Tektronix, 2008.
- decibel.ni.com/content/docs/DOC‑28537/ссылка утрачена/.