Podstawy programowania w środowisku LabVIEW,
projekt analizatora widma
Celem ćwiczenia jest doskonalenie umiejętności tworzenia typowych aplikacji w środowisku
LabVIEW na przykładzie projektu witrualnego analizatora widma. Analizator widma zostanie zbu-
dowany w oparciu o oscyloskop cyfrowy będący przedmiotem ćwiczenia nr 8, i będzie umo\
liwiał
równoczesną obserwację sygnału i jego widma częstotliwościowego.
Projektowany analizator powinien na bie\
ąco dokonywać analizy częstotliwościowej sygnału
obserwowanego na ekranie oscyloskopu cyfrowego. Spośród wielu instrumentów przeznaczonych do
analizy częstotliwościowej, dostępnych w bibliotekach programu LabVIEW w naszym analizatorze
zastosujemy instrument o nazwie Amplitude and Phase Spectrum (rys.1) dostępny w podgrupie
Frequency Domain podgrupy Signal Processing grupy Analyse. Grupa Analyse widoczna jest na pa-
nelu funkcji, je\
eli przy pomocy ikonki  Options w oknie Functions ustawimy dla  Palette View
opcję  default .
Rys.1.Struktura instrumentu Amplitude and Phase Spectrum
Amplitude and Phase Spectrum jest instrumentem obliczający widmo amplitudowe i fazowe rzeczy-
wistego sygnału czasowego doprowadzonego do wejścia  Signal (V) . Wartości skuteczne amplitud
składowych widma dostępne są na wyjściu  Amp Spectrum Mag (Vrms) natomiast kąty fazowe
tych składowych obliczone w radianach dostępne są na wyjściu  Amp Spectrum Phase (radians) .
Fazy mogą być obliczone w formie rozwiniętej jeśli wejście  unwrap phase (T) jest ustawione jako
 True - w przeciwnym wypadku są przedstawiane jako wartości z zakresu od -Ą do Ą. Do wejścia
 dt nale\
y wprowadzić podaną w sekundach wartość okresu próbkowania sygnału. Na wyjściu  df
dostępna jest w hercach wartość rozdzielczości częstotliwościowej obliczonego widma.
Część praktyczna
1. Po uruchomieniu programu LabVIEW wybieramy  Open VI i wczytujemy nasz wirtualny oscy-
loskop cyfrowy napisany na ćwiczeniu nr 8. Na wstępie dobrze jest zapisać wczytany program
pod nową nazwą np.:  Analizator.vi .
2. Poniewa\
analizator tak jak oscyloskop będzie pracował w sposób cykliczny, na początku musi-
my w panelu programu powiększyć wielkość pętli warunkowej  While do tak aby mo\
na było
wewnątrz niej umieścić kilka dodatkowych elementów analizatora. Kolejny krok to umieszczenie
w programie instrumentu Amplitude and Phase Spectrum. Znajduje się on w podgrupie Frequen-
cy Domain podgrupy Signal Processing grupy Analyse. Grupa Analyse widoczna będzie na pane-
lu funkcji, je\
eli przy pomocy ikonki  Options w oknie Functions wybierzemy dla  Palette
1
View opcję  default . Instrument Amplitude and Phase Spectrum umieszczamy na prawo od
pozostałych elementów na panelu programu. Następnie szpulką łączymy wejście  Signal (V)
wstawionego elementu z wyjściem  Val funkcji ScaleArr. Do wejścia  dt natomiast musimy
wprowadzić wartość okresu próbkowania w sekundach. W naszym programie okres próbkowania
w milisekundach jest dostępny na środkowym wejściu elementu  Bundle poprzedzającym
 Ekran . Wystarczy wobec tego pomno\
yć go przez 0,001 (lub podzielić przez 1000) i mo\
na go
wprowadzić do  dt . Aby mo\
liwe było obserwowanie widma fazowego w formie rozwiniętej
lub nie - do wejścia  unwrap phase (T) nale\
y dołączyć logiczny sygnał sterujący z dowolnego
przełącznika typu boolean umieszczonego na panelu u\
ytkownika i nazwanego  Rozw. fazy .
3. W analizatorze do obserwacji widma sygnału niezbędny jest oczywiście ekran, do którego budo-
wy wykorzystamy instrument o nazwie  Waveform Graph , który wstawiamy z grupy  Graph
palety  Controls do panelu u\
ytkownika, najlepiej powy\
ej lub poni\
ej ekranu oscyloskopu. Na-
zywamy go  Widmo , jego osie opisujemy odpowiednio jako  f [Hz] i  Amplituda [V] . Po
umieszczeniu  Waveform Graph na panelu u\
ytkownika wracamy do panelu programu, gdzie
konieczne będzie odpowiednie przygotowanie danych dla  Waveform Graph . Dane te muszą
mieć format  Waveform tzn zawierać:
" wartość początkową  t0 współrzędnej poziomej wykresu,
" przyrost  dt współrzędnej poziomej wykresu,
" właściwe dane kreślonego przebiegu zapisane w tablicy  Y .
Taką postać danych mo\
emy uzyskać wykorzystując element  Build Waveform z grupy  Wave-
form . Po umieszczeniu go w panelu programu ma on dwa wejścia, górne do którego mo\
na
wprowadzić gotową postać danych typu  waveform i dolne oznaczone  t0 . Konieczne jest do-
danie mu jeszcze jednego wejścia (ustawiamy kursor na lewej części  Build Waveform , klika-
my prawym klawiszem myszki i wybieramy  Add Element ). Teraz musimy zmienić oznaczenia
obu wejść, które nazywają się  t0 . W tym celu ustawiamy kursor na pierwszym  t0 , klikamy
prawym klawiszem myszki i przy pomocy  Select Item wybieramy  Y . Dla drugiego  t0 w
ten sam sposób wybieramy  dt . Następnie łączymy wyjście  Amp Spectrum Mag (Vrms) in-
strumentu Amplitude and Phase Spectrum z wejściem  Y elementu  Build Waveform . Wyjście
 df instrumentu Amplitude and Phase Spectrum łączymy natomiast z wejściem  dt elementu
 Build Waveform , poniewa\
 df jest przyrostem współrzędnej poziomej wykresu widma. War-
tości  t0 nie ma potrzeby ustawiać na  0 poniewa\
jest to wartość domyślana. Pozostaje jeszcze
połączenie wyjścia  Build Waveform z wejściem  Widma .
4. Identycznie jak w pkt.3. postępujemy aby umieścić na panelu u\
ytkownika ekranu z widmem
fazowym. Jeśli znajduje się on bezpośrednio nad lub pod ekranem widma amplitudowego to
mo\
na zrezygnować na nim z osi częstotliwości. Oczywiście widmo fazowe pobieramy z wyjścia
 Amp Spectrum Phase (radians) instrumentu Amplitude and Phase Spectrum.
2
5. W tym momencie analizator mo\
e ju\
prawidłowo pracować, ale mo\
na go jeszcze udoskonalić,
tak aby na przykład podawał nam jaka jest aktualnie podstawowa częstotliwość analizowanego
sygnału. Do tego celu wykorzystamy instrument o nazwie Harmonic Analyzer (rys.2), który mo-
\
emy znalez
ć w tej samej podgrupie Frequency Domain podgrupy Signal Processing grupy Ana-
lyse. Jest to instrument znajdujący w widmie sygnału podanym na wejście  Auto Power Spec-
trum częstotliwość podstawową i jej harmoniczne (całkowite wielokrotności) oraz obliczający
Rys.2. Struktura instrumentu Harmonic Analyzer
wartość zniekształceń sygnału w postaci współczynników THD (Total Harmonic Distortion) i
THD+Noise. Po umieszczeniu tego instrumentu w programie, dla naszych potrzeb wystarczy gdy
wprowadzimy informacje tylko do dwóch jego wejść. Do wejścia  Auto Power Spectrum musi-
my oczywiście wprowadzić widmo z wyjścia  Amp Spectrum Mag (Vrms) instrumentu Ampli-
tude and Phase Spectrum. Natomiast do wejścia  Sampling Rate wprowadzamy częstotliwość
próbkowania czyli musimy obliczyć odwrotność wprowadzonego do Amplitude and Phase Spec-
trum okresu próbkowania. Pozostałe nie obsadzone wejścia instrumentu Harmonic Analyzer
przyjmą domyślne wartości, które dla naszej analizy są odpowiednie. Poniewa\
interesuje nas
jedynie jaka jest podstawowa częstotliwość analizowanego sygnału a na wyjściu  Harmonic
Frequencies udostępniana jest tablica wszystkich harmonicznych widma począwszy od podsta-
wowej, dlatego musimy z tej tablicy pobrać tylko pierwszy element. Wykorzystamy do tego
funkcję Index Array (z grupy Array), która zwraca z n -wymiarowej tablicy podanej na jej wej-
ście element o podanym indeksie. W naszym przypadku interesująca nas częstotliwość podsta-
wowa w jednowymiarowej tablicy  Harmonic Frequencies ma indeks nr 0, i taką stałą wartość
podłączamy do wejścia  Index funkcji  Index Array . Oczywiście nie zapominamy o podłącze-
niu do jej wejścia  Array wyjścia  Harmonic Frequencies . śeby mo\
na było zobaczyć jaka jest
to częstotliwość musimy jeszcze do panelu u\
ytkownika wstawić Digital Indicator, nazwać go  f1
[Hz] i połączyć z wyjściem  Element funkcji  Index Array .
6. Zanim uruchomimy nasz analizator nale\
y jeszcze tak skonfigurować instrumenty  Waveform
Graph (słu\
ące do wyświetlania widm amplitudowego i fazowego), \
eby obraz widma na ekra-
nie był zawsze czytelnie wyświetlany bez konieczności ręcznego skalowania obrazu. Taki efekt
uzyskamy ustawiając dla obu osi opcje  Auto Scale ,  Loose Fit i  Visible Scale Label . Aby
obsługa analizatora była prosta i wygodna nale\
y jeszcze uporządkować rozmieszczenie elemen-
tów na panelu i zmienić ich rozmiary. Tak zbudowany program został przedstawiony na rysun-
kach poni\
ej.
Literatura:
1. National Instruments Corporation: LabView User Manual, November 2001 Edition.
3
2. W. Tłaczała : Środowisko LabVIEW w eksperymencie wspomaganym komputerowo. WNT,
Warszawa 2002
4
Imię i Nazwisko & & & & & & & & & & & & & & . Rok ..... Grupa & .. Data: & & & & & &
Podstawy programowania w środowisku LabVIEW,
projekt oscyloskopu cyfrowego
Sprawozdanie
Zadania do wykonania:
1. Zbudować wg powy\
szych wskazówek działający analizator.
2. Ustawić nr karty pomiarowej na 0, a przełącznik 12/16 bit na 16 bit.
3. Dokonać przy jego u\
yciu analizy sygnałów: sinusoidalnego i prostokątnego o ró\
nym czasie
trwania (ró\
nej liczbie próbek).
4. Ustawić nr karty pomiarowej na 1, nr kanału na 0, a przełącznik 12/16 bit na 12 bit.
5. Podłączyć do zacisków analogowego wejścia karty generator i dokonać obserwacji sygnałów
wytwarzanych przez generator.
6. Sprawdzić dla kilku przypadków czy częstotliwość podstawowa f1 wskazywana przez anali-
zator jest poprawna, tzn. porównać z długością okresu sygnału na ekranie oscyloskopu wie-
dząc, \
e:
frsygnału = liczba widocznych cykli / czas ich trwania (1)
7. Dla trzech ustawień czasu obserwacji zanotować w tabeli wskazywaną przez analizator czę-
stotliwość podstawową sygnału i sprawdzić czy zgadza się obliczoną wg wzoru (1).
czas trwania liczba widocz- Wskazywana często- Obliczona wg (1)
cykli [ms] nych cykli tliwość f1 [Hz] fsygnału [Hz]
8. Do sprawozdania dołączyć wydruki panelu u\
ytkownika i panelu programu.
Wnioski:
5