ВИРТУАЛЬНОЕ ЧАСТОТНО-ЦИФРОВОЕ УСТРОЙСТВО

Филимонов В.В., Галахов В.В., Скачко Ю.В.

Московский Государственный институт электроники и математики (Технический Университет) 109028, Москва, Б. Трехсвятительский пер., 3/12, кафедра МиС

В данной работе рассматривается средство измерений на базе персональной мультимедийной ЭВМ и программного обеспечения фирмы. Исследуемое средство состоит из унифицированного струнного преобразователя линейных перемещений и ЭВМ, оснащенной звуковой картой, которая выполняет роль АЦП. В роли программных средств обработки и анализа полученного дискретного цифрового сигнала (дискретизированного по времени и квантованного по амплитуде), выступали продукты SpectraLab и Cool Edit Pro. Виртуальное частотно-цифровое устройство было реализовано в нескольких вариантах. Для него были проведены исследования метрологических характеристик и сравнение их с аналогичными параметрами серийно изготовленных частотомеров.

Результаты исследований используются в учебном процессе для изучения курсов "Автоматизация измерений, контроля и испытаний", "Прикладная метрология", "Управление качеством", для специальностей 1908, 3401.

В настоящее время измерительные лаборатории и отделы технического контроля подшипниковых заводов на 90 % оснащены серийно выпускаемыми стрелочными пружинными головками, индикаторами часового типа, оптическими приборами- оптиметрами, интерферометрами, используемыми для измерения линейных размеров. С момента начала разработки этих приборов прошло несколько десятков лет, эти средства морально устарели.

Незначительную долю общего парка средств измерений (5-10%) составляют серийно выпускаемые цифровые приборы на базе индуктивных и растровых преобразователей перемещений, исключающие ряд вышеперечисленных недостатков. Невысокое оснащение заводов этими средствами измерения объясняется высокой стоимостью и необходимостью модернизации измерительных станций, приспособленных под пружинные приборы.

Большинство заводских приборов не обладают средством сопряжения с ЭВМ.

Среди отечественных средств измерений электрических величин, сопрягаемых с ЭВМ, распространен интерфейс КОП (канал общего пользования) - аналог разработанного фирмой HP еще в 80-х г.г. Максимальная скорость передачи такого интерфейса теоретически не более 1Мб в секунду, на практике - среднем 300 Кбайт в секунду.

Отсутствие у приборов возможности подключения к ЭВМ имеет следующие недостатки:
· Отсутствие дистанционного управления.
· Невозможность включения в систему автоматизированного управления и, как следствие, затруднена процедура обработки и хранения информации.
· Снижение рентабельности прибора за счет включения в него блоков самотестирования, отображения информации, дополнительных устройств преобразования, индикации режимов и т.д.

Стоимость средств измерений с возможностью подключения к унифицированному интерфейсу значительно выше стоимости автономных средств измерений.

Поэтому, оптимальным решением будет использование мультимедийной ЭВМ, оснащенной звуковой картой, выполняющей роль АЦП, если измерительная информация поступает от струнного датчика линейных перемещений с частотно-модулированным выходным сигналом. В этом случае ЭВМ выступает в роли Виртуального Частотно-Цифрового Устройства (ВЧЦУ).

Преимущества ВЧЦУ на базе ЭВМ:
· Относительная дешевизна реализации, доступность;
· обработка и передача информации программными и аппаратными средствами:
· локальные и глобальные сети;
· большие информационные объемы запоминающих устройств;
· возможность разработки программного обеспечения своими силами или силами сторонних производителей;
· возможность шифрования информации в рамках обеспечения безопасности информации;
· Постоянно растущая скорость обработки информации
· Большая надежность и ремонтопригодность

Недостатки ВЧЦУ:
· В связи с применением в качестве АЦП звуковой карты, диапазон измерения частоты составляет 0-22000 Гц, при использовании звуковой карты с частотой дискретизации 44000 Гц. И соответственно предел верхней частоты расширяется до 24000 Гц, при использовании более дорогих звуковых карт с частотой дискретизации 48000 Гц.

Рассмотрим решение задачи на примере реализации методики исследования прогрессирующей составляющей погрешности измерений. В 1-м варианте схема эксперимента выглядит следующим образом: сигнал измерительной информации вырабатываемый унифицированным преобразователем, может быть подан на промышленный частотомер, считан оператором и занесен в ЭВМ для последующих расчетов. Недостатки такого способа очевидны- необходимость обработки вручную большого числа измерений, большие временные затраты, большая вероятность субъективной ошибки. Избежать этого возможно введением автоматизации сбора и предварительной обработки информации, пользуясь, одним из алгоритмов обнаружения грубых погрешностей измерения, который позволяет с заданной вероятностью обнаружить такую погрешность.

В качестве АЦП, в данном случае, возможно использовать различного рода серийно выпускаемые IBM- совместимые плат, но специализированные АЦП такого класса достаточно дороги. В данном случае можно воспользоваться звуковой картой, как АЦП, но при условии, что диапазон измерений и погрешностей лежит в допустимой, для данного класса звуковых карт зоне.

Далее следует воспользоваться целым классом программ обработки сигнала, представленными сторонними производителями.

Программа SpectrаLab позволяет визуально наблюдать спектр и сонограмму измеряемого сигнала, а также найти частоту и амплитуду в любой точке с точностью до 10-4 для уровня сигнала. Точность определения частоты сигнала зависит от частоты дискретизации. Кроме того, программа SpectrаLab позволяет показывать сигнал во временной области.

Несомненным преимуществом программы является также возможность записи сигнала с последующей его обработкой или передачей.

Другим функциональным продуктом является программа Coll Edit Pro, обладающей широкой возможностью анализа полученного сигнала, а именно:
· Выявление шумов в сигнале и устранение их
· Модификация полученного сигнала по времени, частоте и амплитуде.
· Генерация различных шумов (белый шум, коричневый шум и т.д. ) с целью последующего сравнения его спектра со спектром полученного сигнала.
· Возможность сравнивать один сигнал с другим, путем нахождения их разности.

Измерительные системы на базе мультимедийной ЭВМ.

В основе работ над данными системами использовались ранее реализованные разработки, такие как:
· ИС-1 на базе специализированной ЭВМ.
· ИС-2 на базе программируемого микрокалькулятора с модернизированным клавиатурным вводом информации.
· ИС-3,4,5 на базе устройства с микропроцессорами и одноплатными микро ЭВМ.

Основной недостаток этих разработок, наличие в их составе устаревших элементов, что затрудняет их использование, обслуживание и ремонт.

Были построены и усовершенствованы различные виды ИИС на базе мультимедийного ПК:
· Измерительная система ИС-7, процесс измерений в режиме ДОС, автоматизированная обработка результатов измерений в оболочке Excel. Используется счетный метод преобразования частоты сигнала в цифровой код.
· Измерительная система ИС-7 SpertraLab, на базе ПО SpertraLab, управление процессом измерений и обработки результатов измерений осуществляется по управление программы на базе макросов оболочки Excel. Используется метод спектрального преобразования для постороения спектра ЧМ сигнала с последующим выделением частоты основной гармоники. Математический аппарат данного метода требует более подробного изучения в целях анализа метрологических характеристик.

Обе системы используют одинаковую материальгую базу, о которой говорилось ранее, различные характеристики определяются различным программным обеспечением.

В рамках проведения работы были представлены предварительные эксперименты оценки метрологических характеристик ВЧЦУ посредством цифрового частотомера.

Краткий план эксперимента:
Проводятся серии измерений на двух различных измерительных системах, ИС-7 и ЧЦ-54А.
Измерения проводятся по двум мерам, номинальные размеры которых известны с заданной точностью. На каждой мере проводится 60 измерений.
Результаты измерений обрабатываются, вычисляются оценки случайной составляющей и дрейфа. Сравниваются значения для различных методов.
Из результатов экспериментальных исследований, можно сделать выводы о перспективности использования ВЧЦУ, возможности повышения точности и быстродействия, путем реализации оптимальных алгоритмов, использовании и доработки ПО собственной разработки и сторонних производителей, автоматической коррекции погрешности.

Литература

1. Цейтлин Я.М., Скачко Ю.В., Капырин В.В. Модифицированные струнные преобразователи для измерения геометрических величин. - М.; Изд-во стандартов, 1989 - 264 с.

VIRTUAL FREQUENCY-NUMERICAL DEVICE

Measurement facility is considered in given work on the base personal multimedia PC and software of company. Measurement facility Cost with the possibility of connecting to the unified interface of well above cost of autonomous measurement facilities. So, optimum deciding will be an use an multimedia PC, equiped by the sound card, executing role ADC, if measure information enters from the string sensor of single-line displacement with frequency-modulated output signal. In this case PC is Virtual Frequency-Numerical Device. From results of experimental studies, possible to use this device.