Виртуальные преобразователи информации в цифровой электронике

УДК 621.31

Виртуальные преобразователи информации в цифровой электронике

Н. В. Белов,

МИЭЭ, заведующий кафедрой электротехники и электроники, кандидат технических наук, доцент Д. В. Жматов,

МИЭЭ, инженер, аспирант МГОУ им. В. С. Черномырдина

В лабораторном эксперименте часто приходится преобразовать сигнал из одной формы в другую, для чего используются различные виды физического преобразования в процессе измерения. Целью настоящей статьи является показать на примере моделей АЦП и ЦАП в среде LabVIEW имитацию процесса преобразования сигналов, полученных с использованием виртуальных преобразователей.

Ключевые слова: LabVIEW, имитационная модель, виртуальный преобразователь, виртуальный логический преобразователь, графический примитив.

Виртуальный преобразователь (ВП) представляет собой комбинацию инструментальных средств ввода-вывода сигналов и специализированного программного обеспечения (ПО), которое участвует в процессе преобразования информации, а также определяет конфигурацию и функционирование законченной системы.

Составной частью виртуального прибора является виртуальный преобразователь сигнала, который преобразует энергию источника питания в сигнал определенной формы. Автоматизированные средства разработки прикладных приложений, например LabVIEW или LabWindows/CVI, делают простым процесс создания как специализированных устройств, так и универсальных, комбинирующих возможности нескольких приборов [1].

Основными целями создания виртуальных преобразователей могут быть:

- изучение форм сигналов в различных местах электронного устройства при воздействии на него одного или нескольких сигналов (например, одновременное воздействие полезных сигналов и помех);

- обучение студентов и специалистов по разработке и проектированию электронных устройств.

Все цифровые устройства основаны на многократном повторении относительно простых базовых логических схем, связи между которыми строятся на законах алгебры логики [2]. Простейшие логические преобразования на логических элементах И, ИЛИ, НЕ и триггеры RS, JK и D-типов могут быть смоделированы в программой среде Electronics Workbench (рис. 1).

Наиболее сложные логические преобразования (последовательность импульсов - цифровая последовательность) в этой же программной среде моделируются на JK-триггерах в виде двоичного счётчика (рис. 2).

1 k Ohm/5 V X1

t °

a

Y1

-O

]" н

Y2

X2

S

1J

C1

1K

R

-О

Рис. 1. Использование логических элементов в Electronics Workbench

Рис. 2. Модель двоичного счётчика в Electronics Workbench

В среде графического программирования LabVIEW с применением натурного и имитационного моделирования также можно создавать ана-

Рис. 3. Исследование логических элементов, триггеров и счётчиков

Рис. 4. Схема мультивибратора в среде Electronics Workbench

Рис. 5. ВП, формирующий различные формы сигналов

логичные виртуальные преобразователи, что ещё раз доказывает дидактический принцип наглядности объектов при комбинированном моделировании. На рис. 3 показана экранная форма, демонстрирующая использование логических элементов, триггеров и двоичного счётчика для исследования цифровых устройств.

При применении схемотехнического моделирования в среде Electronics Workbench [3] возможно моделирование различных генераторов сигналов, в которых энергию источников питания преобразуют в сигналы различной формы. Схема такого виртуального преобразователя, например, мультивибратора, представлена на рис. 4.

Аналогично возможно моделирование различных типов генераторов в среде LabVIEW. На рис. 5 показана экранная форма генерации различных сигналов в данной среде.

На рис. 6 показана блок-диаграмма программы формирования сигналов (рис. 5) с использованием виртуального логического преобразователя, который представляет собой набор программных средств, реализующих логическую функцию. В виде генераторов сигналов выступают ВП и под-приборы, представленные в виде графических примитивов в среде LabVIEW.

При аналогово-цифровом преобразовании информации с интегрированием (рис. 7) обычно схема содержит интегратор и компаратор, построенные на операционных усилителях Ух, с цепью ИС^ и У2 [4].

В результате счётчик создает двоичную последовательность сигналов, которая может быть преобразована в аналоговое напряжение при помощи цифро-аналогового преобразователя. После этого эталонное напряжение сравнивается с входным

Рис. 6. Блок-диаграмма ВП

£

Генератор опорного напряжения

V—,

> _

Схема автоматической

___Коррекции1 _УУЛ2___

Тактовый

генератор

Управляющая логика

Счетчик

Выходной цифровой сигнал

меньше пробного, счётчик уменьшает своё выходное значение с тем, чтобы уровень эталонного сигнала приблизился к уровню входного.

Процесс продолжается до тех пор, пока компаратор не изменит знак, подтверждение чего будет видно на его световой индикации. В этот момент уровень эталонного сигнала находится в пределах одного отсчёта от уровня входного напряжения. Виртуальная имитационная модель процесса работы АЦП в среде LabVIEW показана на рис. 8.

Рис. 7. Функциональная схема АЦП с интегрированием

сигналом. Если входное напряжение больше эталонного сигнала, счётчик увеличивает значение, чтобы приблизить эталонный сигнал к уровню входного напряжения. Если же входной сигнал

Рис. 8. Режим работы модели АЦП

и

вх

С

У

У

я

2

4

В интегрирующем АЦП для генерации пилообразного эталонного напряжения используются двоичный счётчик и цифро-аналоговый преобразователь [5]. На модели представлен 8-разрядный счётчик, который работает в режиме возрастания в совокупности с 8-разрядным ЦАП, генерируя пробный сигнал. Его уровень непрерывно возрастает от 0 до 255, если модель работает в режиме ручного запуска.

При моделировании сложных электронных устройств пользуются моделями отдельных элементов (микромоделями) и моделями отдельных узлов (макромоделями), в состав которых входит ограниченное множество элементов, например, модели операционных усилителей, компараторов, схем выборки и хранения, АЦП и ЦАП.

На рис. 9 показана работа ЦАП в двух режимах: автоматическом и ручном. В автоматическом режиме пользователь наблюдает на экране построение ступенчатого сигнала путём преобразования цифрового сигнала в аналоговый, где вывод ЦАП начинается с 0 до 255. Выходное напряжение постоянно.

подаётся на графический индикатор. Скорость нарастания сигнала на графике определяется частотой счёта: чем больше частота, тем больше наклон, формируется ступенчатый сигнал. Модуль генератора выдает тактовый сигнал. Когда происходит переполнение десятичного счётчика от 0 до 15 (от 11111111 до 00000000 в двоичном эквиваленте), аналоговое напряжение быстро падает от 255 до 0.

В ручном режиме ЦАП необходимо переключать тумблеры А0-А7 (в любом порядке), меняя выходное напряжение. Переключая каждый тумблер, соответствующий строго определенному разряду, можно получить ступенчатое нарастание выходного напряжения в пределах от 0 до 10 В, которое меняется по формуле

Рис. 9. Режим работы модели ЦАП в автоматическом режиме

Разрядность ЦАП, которую можно наблюдать визуально на экране, меняется в пределах от 4 до 8 бит. При увеличении числа разрядов ЦАП амплитуда ступеньки уменьшается. Выходной сигнал 4-разрядного ЦАП имеет 15 ступеней, 6-разрядного ЦАП - 63 ступени, а 8-разрядного -255 ступеней.

Для генерации аналогового сигнала можно использовать любую последовательность битов, подаваемых с постоянной скоростью на вход ЦАП. Простейшая последовательность получается на выходе 8-битового двоичного счётчика. Вследствие этого генерируется пилообразное напряжение в пределах от 0 до 255 В, далее выходной сигнал

где ю{ - весовой коэффициент;

Ъ - значение бита (1 или 0);

I - индекс номера бита.

В случае двоичной схемы взвешивания, когда ю= 2г, полное выражение для 8-разрядного ЦАП запишется в виде

ОАС=128Ъ7+64Ъ6+32Ъ5+16Ъ4+8Ъ3+4Ъ2+2Ъ1 + 1Ъ1.

В общем случае компьютерные имитационные модели позволяют проанализировать весь процесс преобразования информации в рамках исследуемого цикла работы программы, что позволяет говорить о получении таких же результатов, сравнимых с работой реальных логических элементов. В качестве частных решений при воплощении операций пространственно-временного преобразования в статье были рассмотрены компьютерные модели цифро-аналогового и аналого-цифрового преобразования информации.

Основные области применения виртуальных преобразователей - экспериментальные научные исследования и измерения, реализующиеся в виде универсальных (функционально-ориентированных) приборов в виртуальном исполнении (осциллографы, анализаторы, генераторы и др.) [1].

Технология ВП может быть использована для создания готовых к применению специализированных систем измерения и тестирования, а также систем промышленной автоматизации путём объединения различных аппаратных и программных компонент. При внесении изменений в подпрограмму, как правило, можно повторно использовать одни и те же компоненты ВП, не приобретая дополнительные технические средства, что значительно сокращает время на разработку программного обеспечения.

Таким образом, применение виртуальных преобразователей позволяет:

- реализовать виртуальные лабораторные работы сложных цифровых схем;

- многократно опробовать в различных ре- - моделировать процессы, трудно реализуемые жимах процессы преобразования (отладка на практике, и расширить диапазон представлен-программ); ных сигналов.

Литература

1. Коннова А. А., Зубченко Е. С. Виртуальные информационно-измерительные приборы // Успехи современного естествознания. - 2011. - № 7 - С. 126-127.

2. Белов Н. В. Методические указания для выполнения лабораторных работ по дисциплине «Информационно-измерительная техника и электроника». - М.: МИЭЭ, 2008. - 48 с.

3. Белов Н. В., Жматов Д. В. Применение и адаптация в учебном процессе виртуальных лабораторных работ по электронике // Энергобезопасность и энергосбережение. - 2011. - № 2. - С. 46-48.

4. Путилин А. Б. Вычислительная техника в измерительных информационных системах. - М.: Изд-во МГОУ, 2004.

5. Paton B. Fundamentals of Digital Electronics. March 1998 Edition Part Number 321948A-01.

Virtual converters of information in digital electronics N. V. Belov,

MIEE, Head of the Department of Electrical engineering and electronics, Ph.D., associate professor D. V. Zhmatov,

MIEE, engineer, post-graduate student of MSOU

In laboratory experiment it is necessary to transform a signal from one form to another therefore various kinds of physical transformation are used in the course of measurement. The purpose of the paper is show in the environment of LabVIEW the imitation of the signal transformation process received with use of virtual converters.

Keywords: LabVIEW, imitation model, virtual logic converter, virtual logic converter, graphic primitive