1

Miernictwo cyfrowe, laboratorium

Generowanie i analiza widmowa sygnałów

1. Wprowadzenie

W zależności od docelowego zastosowania karty pomiarowe mogą być zaopatrzone
również w kanały wyjściowe umożliwiające generowanie sygnałów analogowych
bądź wytwarzanie sterujących sygnałów cyfrowych. Celem bieżącego laboratorium
jest wygenerowanie przykładowych przebiegów o różnym kształcie. Wygenerowane
przebiegi poddane zostaną analizie widmowej.

2. Konstrukcja wirtualnego urządzenia

Panel czołowy urządzenia wirtualnego przedstawiony został na rysunku 1.

Urządzenie umożliwia generowanie kilku przebiegów za pomocą wyjścia
analogowego karty pomiarowej. Możliwe jest określenie typu, amplitudy i
częstotliwości żądanego sygnału. Współbieżnie z procesem generowania możliwa
jest rejestracja napięcia w jednym z wybranych kanałów wejściowych. Dla
zwiększenia czytelności interfejsu kontrolki odpowiedzialne za poszczególne zadania
pogrupowane zostały za pomocą ramek, które wraz z innymi elementami wizualnymi
o charakterze dekoracyjnym znajdują się w palecie

Decorations głównego menu.

Rysunek 1: Panel czołowy urządzenia wirtualnego

2

Panel zawiera dwa wykresy (

Modern/Graph/Waveform Graph). Górny wykres służy

do wizualizacji rejestrowanego przebiegu napięciowego podczas gdy dolny służyć
będzie do prezentacji jego widma amplitudowego.

Na panelu znajduje się kontrolka w formie menu mająca służyć do zmiany

kształtu generowanego sygnału. Umieszcza się ją poprzez wybór elementu
Modern/Ring & Enum/Menu Ring z głównego menu. Po kliknięciu na nią PM i
wybraniu pozycji

Edit Items… wyświetlone zostanie okno pozwalające na określenie

dopuszczalnych wariantów tworzonego menu wyboru. Jako warianty podać należy
jakąś nazwę odpowiadającą sygnałowi sinusoidalnemu, trójkątnemu i prostokątnemu.
Nazwa pozycji powinna być jedynie zrozumiała dla użytkownika urządzenia,
znaczenie ma kolejność pozycji menu, ponieważ numer każdej z nich określał będzie
sposób działania fragmentu schematu blokowego tworzonego w dalszej części
ć

wiczenia.

W zależności do gustu artystycznego twórcy urządzenia wirtualnego

kolorystyka elementów wizualnych może być zmieniana za pomocą odpowiedniego
narzędzia. Aktywuje się je poprzez kliknięcie na obszarze panelu PM trzymając
SHIFT. W skutek powyższej operacji pojawia się przybornik przedstawiony na
rysunku 2.

Rysunek 2: Przybornik środowiska LabVIEW

Dolny segment przybornika z pędzlem i kolorowymi kwadratami pozwala na
uaktywnienie narzędzia służącego do kolorowania wybranych elementów. We
wcześniejszych wersjach środowiska przybornik służył do wyboru narzędzia
używanego w danej chwili przez konstruktora (strzałka do przesuwania elementów,
szpulka do łączenie itd.). W nowszych wersjach narzędzie zmienia się automatycznie
pod warunkiem, że „zapalone” jest górne zielone pole. Ponieważ operacja wyboru
narzędzia do kolorowania dezaktywuje opcję automatycznego wybierania narzędzia
po dokonaniu żądanego kolorowania interfejsu można ją włączyć powtórnie przez
ponowne rozwinięcie przybornika i kliknięcie na zieloną „lampkę”.

Za funkcjonowanie wirtualnego urządzenia odpowiedzialny jest schemat

blokowy przestawiony na rysunku 3. Zawiera on poznany uprzednio tor służący do
rejestracji sygnału za pomocą jednego z wejść analogowych wzbogacony o
wykorzystanie bufora zapewniającego pogodzenie szybkości przetwarzania danych
przez kartę z szybkością wewnętrznej magistrali komputera (

Measurement

IO/DAQmx – Data Acquisition/Task Config Carl/Buffer Node). Powyższy element
nazywany jest węzłem właściwości a odpowiednią właściwość wybiera się z menu
PM, pozycja

Properties. Kolejnym nowym elementem jest struktura (Bundle)

pozwalająca prawidłowo wyskalować oś odciętych wykresu. Uzyskuje się ją
wybierając

Programming/Cluster, Class & Variant/Bundle i rozciągając świeżo

umieszczoną kontrolkę tak aby pojawiło się trzecie wejście połączeniowe. Pierwsze z
wejść informuje o wartości, od której ma rozpoczynać się oś współrzędnych

3

(podłączone zero), druga to informacja o kroku osi (w tym miejscu podłączona
zostaje odwrotność częstości próbkowania czyli krok czasowy), trzecia służy do
podłączenia linii danych do wyświetlenia. Nieco poniżej znajduje się podobny blok
funkcjonalny z dodatkiem procedury

Signal Processing/Spectral/Amplitude and

Phase Spectrum. Służy ona do wyliczania widma sygnału czyli jego obrazu w
dziedzinie częstotliwości.

Rysunek 3: Schemat blokowy wirtualnego urządzenia

W dolnej części schematu widoczny jest blok odpowiedzialny za generowanie

przebiegu przez kartę. Jest on podobny do omawianego poprzednio toru
pomiarowego. Istotną różnicę stanowi sposób działania procedury tworzenia zadania
pomiarowego ustawiony na

AO Voltage (Analog Output czyli tworzone jest wyjście

sygnału analogowego). Podobnie jak w przypadku zadania rejestracji tutaj również
mieszczona jest procedura sterująca wielkością bufora. Wewnątrz głównej pętli
znajduje się dodatkowa ramka podłączona do elementu „Rodzaj sygnału”. Jest to
instrukcja wyboru powiązana z utworzonym uprzednio menu służącym do zmiany
kształtu generowanego sygnału. Ramka instrukcji wyboru znajduje się w
Programming/Structures/Case Structure. Bezpośrednio po umieszczeniu zawiera
ona przyłącze instrukcji sterującej (prostokąt ze znakiem zapytania) w kolorze
zielonym. Oznacza to, że domyślnie przystosowana jest do sterowania za pomocą
zmiennej o charakterze logicznym prawda/fałsz. Połączenie do elementu „Rodzaj
sygnału” powoduje jej automatyczne dostosowanie do większej ilości możliwych
wariantów wybieranych z menu. W górnej części ramki znajduje się przełącznik który
początkowo umożliwia wstawienie dwóch wariantów instrukcji wyboru. W przypadku
gdy konieczna jest obsługa większej ilości przypadków po kliknięciu na przełączniku
PM i wybranie pozycji

Add Case After lub Before możliwe jest dodawanie kolejnych.

Dla prawidłowego działania programu konieczne jest aby jeden z wariantów był
domyślny. Dlatego jeśli żaden nie ma oznaczenia

Default widocznego przy liczbie

dla jednego (dowolnego) należy wybrać

Make This Default Case z menu PM. W

4

zależności od wyboru dokonywanego z poziomu menu na panelu czołowym
wykonywana będzie zawartość ramki o odpowiednim numerze. W przypadku
omawianej aplikacji na rysunku 3 przedstawiono tylko jeden wariant odpowiadający
wybraniu fali prostokątnej. Zawartość wszystkich wariantów instrukcji wyboru
przedstawiono na rysunku 4.

Rysunek 4: Warianty instrukcji wyboru

Zgodnie z rysunkiem 4 wirtualne urządzenie powinno umożliwiać generowanie
sygnału sinusoidalnego, trójkątnego i prostokątnego.

3. Wykonanie pomiarów i sprawozdania

Utworzone

urządzenie

umożliwi

wykonanie

kilku

doświadczeń.

W

sprawozdaniu powinno znaleźć się krótkie wprowadzenie dotyczące sposobu
realizacji ćwiczenia oraz spostrzeżenia dotyczące każdej z poczynionych obserwacji.
Uzyskane przebiegi mogą zostać zilustrowane zrzutami ekranowymi bądź
samodzielnymi szkicami. Warto również zwrócić uwagę na polecenie

Eksport

Simplified Image… dostępne w menu po kliknięciu na wykres w trakcie działania
programu. W trakcie badań warto zwrócić uwagę na następujące fakty:

1. Karta pomiarowa nie podłączona do żadnego źródła sygnału powinna

pokazać szumy, których widmo może zawierać prążek. Czy jest on w jakiś
sposób specyficzny?

2. Przewody podłączone jedynie do kanału wejściowego powinny umożliwiać

pomiar napięcia w sposób analogiczny do działania wirtualnego woltomierza.
Prawidłowy odczyt napięcia pozwala zweryfikować działanie programu jak
również jakość połączeń.

3. Jako źródło sygnału wykorzystana zostaje ta sama karta, która służy do

rejestracji dlatego wolne końcówki przewodów należy połączyć z jednym z
dwóch kanałów wyjściowych AO0 bądź AI1 oraz z masą sygnału analogowego
AO GND. Czy na ekranie urządzenia wirtualnego pojawia się sygnał zgodny z
żą

danym?

4. Widmo sygnału sinusoidalnego powinno mieć postać pojedynczego prążka.

Czy wysokość prążka jest proporcjonalna do żądanej amplitudy sygnału?
Powinna być gdyż program oblicza widmo

amplitudowe. Proszę jednak

sprawdzić czy wysokość prążka zgadza się

dokładnie z nastawianą

amplitudą.

5. Czy położenie prążka widma sygnału sinusoidalnego odpowiada ustawianej

częstotliwości fali zawsze, nigdy czy tylko czasami?

6. Jak wyglądają widma amplitudowe sygnału prostokątnego i trójkątnego? Czy

można doszukać się jakiejś zależności między ich postacią a zadawaną
częstotliwością sygnału generowanego?