Выполнение практических работ по электротехническим измерениям с помощью виртуальных измерительных приборов

Соловьев Валерий Иванович

преподаватель - методист высшей категории

Таврический колледж ФГАОУ ВО «Крымский

федеральный университет имени В. И. Вернадского»

г. Симферополь, Республика Крым

Выполнение практических работ по электротехническим измерениям с помощью виртуальных измерительных приборов

Для выполнения практических работ по электротехническим измерениям можно применять разнообразное программно-аппаратное обеспечение, так называемые виртуальные измерительные приборы, реализованные на базе персонального компьютера. Самый обычный, по своей конфигурации персональный компьютер, уже содержит средства, способные сделать его виртуальным измерительным прибором: осциллографом, спектроанализатором, частотомером, генератором импульсов, измерителем сопротивления, емкости и индуктивности. Для этого необходимо иметь специальные компьютерные программы, часто бесплатные, которые при желании можно найти в сети Интернет. Основой виртуальных измерительных приборов является аналого-цифровые преобразователи (АЦП) и цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП), которые имеются в каждом персональном компьютере - это аудио плата.

Аудио плата персональномго компьютера способна воспринимать и преобразовывать сигнал сложной формы в пределах звуковой частоты и амплитудой до 2В в цифровую форму со входа LINE-IN или же с микрофонного входа. Возможно и обратное преобразование - на выход LINE-OUT (Speakers). Таким образом, можно работать с любым сигналом до 20 кГц, а то и выше, в зависимости от конкретной аудио платы. Проблема максимального предела уровня входного напряжения 0,5-2В решается использованием простейших делителей напряжения (рисунок 1.).

Рис. 1. Схема простейшего делителя напряжения

Для подключения к аудио плате персонального компьютера используется обычный штекер (рисунок 2.).

Рис. 2. Схема штекера для подключения к аудио плате

Звуковая плата имеет, как правило три гнезда: LINE-IN, MIC, LINE-OUT (Speakers), соответственно линейный вход, микрофон, выход для колонок или наушников. Конструкция всех гнезд одинакова, соответственно и штекеры для всех идут одни и те же.

Специальное программое обеспечение эмулирует на мониторе персонального компьютера работу измерительных приборов, учитывая при этом специфику и частотный диапазон аудио платы.

Работа с виртуальными измерительными приборами начинается с запуска компьютерной программы. На мониторе появляется изображение прибора, например осциллографа: с характерным для него экраном с координатной сеткой, панелью управления с кнопками, движками и регуляторами, копирующую вид и форму настоящих осциллографов. В программных осциллографах могут присутствовать дополнительные возможности: возможность сохранения исследуемого спектра в памяти, плавное и автоматическое масштабирование изображения сигнала и т.д.

Таким образом, для выполнения практических работ по электротехническим измерениям можно применять разнообразное программно-аппаратное обеспечение, так называемые виртуальные измерительные приборы. Кратко рассмотрим возможности некоторых из них.

Начнем с простейшей компьютерной программы «ИЗМЕРИТЕЛЬ ЕМКОСТИ», позволяющей превратить персональный компьютер в прибор для измерения емкости конденсаторов. Принцип работы данного виртуального прибора основан на измерении времени заряда конденсатора. Так как ток заряда-разряда конденсатора, подключенного к СОМ-порту персонального компьютера, достаточно стабилен, то емкость будет прямо пропорциональна времени заряда. Конденсатор подключается к выводам RTS и DCD свободного СОМ-порта персонального компьютера. В качестве «плюсового» щупа используется вывод RTS, в качестве «минусового» щупа используется вывод DCD.

Рис. 3. Интерфейс компьютерной программы «ИЗМЕРИТЕЛЬ ЕМКОСТИ»

«LCFmeter» - многофункциональное устройство, собранное на цифровых мик­росхемах, представляет собой частотомер, измеритель емкости и индуктивности с выводом результатов измере­ний на персональный компьютер. Подключение к компьютеру осуще­ствляется через свободный СОМ порт.

Рис. 4. Интерфейс компьютерной программы «LCFmeter»

Виртуальный измеритель емкости РадиоМастер «С - метр», позволяет оценить электрическую емкость в пределах от нескольких пикофарад до 1 микрофарады. Прибор показывает измеренное значение емкости, ближайшее значение из стандартного ряда для конденсаторов, а также промежуточные результаты, используемые при расчете емкости. Прибор автоматически выбирает поддиапазон, переключая частоту генератора. Измеритель удобен для сортировки и подбора конденсаторов

Рис. 5. Интерфейс компьютерной программы «С - метр»

«Измеритель R, C, L» - компьютерная программа реализует измеритель сопротивления (R), емкости (C) и индуктивности (L). Ориентировочные пределы измерения:

- R в двух поддиапазонах от 0 Ом до 100 кОм и до 5,1 МОм,

- C в двух поддиапазонах от 0 пФ до 5 мкФ и до 10000 мкФ,

- L до 5 Гн.

Для сопротивления и емкости кроме измеренного значения дается ближайший номинал из стандартного ряда.

Рис. 6. Интерфейс компьютерной программы «Измеритель R, C, L»

Компьютерная программа Digital Oscilloscope 3.0. После запуска программы на экране монитора появится окно внешне очень похожее на обычный осциллограф. Интерфейс компьютерной программы Digital Oscilloscope 3.0. приведен на рис. 7. Для подачи сигнала используется линейный вход звуковой карты персонального компьютера. Подавать на линейный вход звуковой карты обычно нужно сигнал не более 0,5-1 вольт, поэтому необходимо использовать входной делитель. Назначение органов управления компьютерной программы. TIME/DIV - время/деление; TRIGGER - синхронизация; CALIB - уровень; VOLT/DIV - напряжение/деление. Digital Oscilloscope 3.0. имеет функцию запоминания - работу можно остановить, а на экране останется осциллограмма которую можно сохранить в памяти персонального компьютера или распечатать.

Рис. 7. Интерфейс компьютерной программы Digital Oscilloscope 3.0.

Компьютерная программа Oscilloscope 2.51 - программный двух лучевой осциллограф и спектроанализатор, использует звуковую плату персонального компьютера в качестве аналого-цифровой преобразователя.

Технические характеристики:

• Двойной осциллоскоп цифрового накопителя проекции прямой с анализатором спектра в реальном масштабе времени и коррелометром(коррелографом);

• Размер буфера: 52 MS;

• Ширина полосы частот: от 20 Герц до 20 кГц максимальный;

• Входной уровень: приблизительно 2 в, ограниченный возможностями звуковой платы;

• Регенерация Дисплея: приблизительно 6 пс.

Все вышеперечисленные его характеристики ограничены возможностями звуковой платы персонального компьютера.

Рис. 8. Интерфейс компьютерной программы Oscilloscope 2.51

Spectrogram v5.0.5 - компьютерная программа-спектроанализатор с удобным интерфейсом и достаточно большими возможностями (рисунок 9.).

Рис. 9. Интерфейс компьютерной программы Spectrogram v5.0.5

Окно программы организовано достаточно просто и удобно. По экрану с помощью мышки двигается курсор, в виде крестового прицела, достаточно навести его на интересующую точку, и внизу в окошке можно получить числовые значения относительной амплитуды (Дб) и частоты в выбранной точке. Таким образом, программу можно использовать и в качестве частотомера для сигнала фиксированной частоты, который будет виден на экране как единый (за исключением гармоник), самый высокий пик.

Для анализа сигнала программа использует оцифрованный сигнал с аудио платы персонального компьютера. В анализаторе предусмотрены гибкие возможности для настройки. Способ восприятия сигнала устанавливается из меню File, Scan Input - сигнал сканируется со входа звуковой платы (или нажатием клавиши F3). Шкала частот может быть представлена как в линейном, так и в логарифмическом виде. Возможно включение одного либо двух каналов звуковой платы.

Перед началом работы необходимо задать установки на панели настроек программы (рисунок 10.).

Рис. 10. Панель настроек компьютерной программы Spectrogram v5.0.5

Панель настроек организована достаточно удобно и состоит из четырех основных разделов. Сначала необходимо задать способ отображения на экране сканируемого сигнала, в разделе Display Characteristic, в установках Display Type лучше всего выставить Line или Bar, график будет отображен линией либо в виде гистограммы соответственно. При этом по горизонтали расположена ось частот, и ось амплитуд по вертикали, как и положено. На интервал значений на оси частот влияют установки сразу из двух разделов панели настроек. В Sample Characteristic/Sample Rate задается предел величины дискретизации, до 44кГц. Однако на реальный масштаб на экране еще сильно влияют и установки из раздела Frequency Analysis. Здесь следует обратить внимание на установки значений FFT Size. Значения FFT задают степень дискретизации в преобразованиях Фурье, используемых при программной обработке спектрограммы. Чем выше FFT, тем выше точность и разрешающая способность спектрограммы, однако требуется больше времени для расчета и сужается отображаемый интервал значений на оси частот. Так при установках Sample Rate на 5,5 кГц, а FFT Size в значение 16384, мы получим наименьший частотный диапазон (от 0 до 86 Гц) при наибольшем разрешении. Для использования же максимального размаха частот придется установить значения параметров в противоположные крайние значения: 44кГц, 512 - FFT, при этом мы получим интервал 0-22050 Гц. Интервал по оси частот может так же смещаться с помощью движка Band, таким образом, чтобы измерения проводились не от нуля, а от какого-либо более высокого значения, что тут же отображается в окошках справа от регулятора.

В программе-спектроанализаторе Spectrogram v5.0.5 регулируется возможность представления сигналов в цветовой гамме.

Компьютерная программа Frequency Counter 1.01 - это цифровой частотомер, относящийся к виртуальным устройствам на базе аудио платы персонального компьютера. Программа позволяет производить измерение без настроек. Отображается частота максимального по амплитуде сигнала. Слабые сигналы не учитываются. Интерфейс компьютерной программы Frequency Counter 1.01 приведен на рисуноке 11.

Рис. 11. Интерфейс компьютерной программы Frequency Counter 1.01

Данный виртуальный измерительный прибор, несмотря на внешнюю простоту интерфейса, отличается довольно высокой точностью показаний измеренных величин, хорошо воспринимает сигнал с импульсами прямоугольной формы, при синусоидальном сигнале необходимо обеспечить его амплитуду на входе не ниже 0,5 В.

Sine Wave Generator 3.0 - это компьютерная программа-генератор с ярким дизайном интерфейса (рисунок 12.).

Рис. 12. Интерфейс компьютерной программы Sine Wave Generator 3.0

Верхний уровень частот в установках компьютерной программы Sine Wave Generator составляет 3.040000 Гц. Сигнал формируется только синусоидальной формы. В крупном окне регуляторы стилизованы под вращающиеся движки потенциометров. Имеется возможность задавать sweep-сигнал, при этом задается только интервал частот, время нарастания всегда остается фиксировано.

Подведем итоги вышеприведенного обзора программно-аппаратного обеспечения, так называемых виртуальных измерительных приборов. Несмотря на кажущуюся простоту подобного компьютерного программного обеспечения, все они могут быть использованы для выполнения практических работ по электротехническим измерениям. Следует отметить что, ни одна из представленных компьютерных программ не повторяет другую, каждая из них отличается какими-то своими особенностями. К достоинствам данного программного обеспечения следует отнести его бесплатность и предоставление достаточно широкого выбора возможностей, ограниченных лишь относительно небольшим частотным диапазоном аудио платы персонального компьютера. Кроме того большинство программ имеют подробный Help, к сожалению на английском языке. К числу недостатков следует также отнести отсутствие у большинства программ русскоязычного интерфейса.

Компьютерных программ, которые можно использовать для выполнения практических работ по электротехническим измерениям имеющих рускоязычный интерфейс немного. На мой взгляд наиболее всего для этого подходит программа Начала ЭЛЕКТРОНИКИ 1.2.

Начала ЭЛЕКТРОНИКИ 1.2 была разработана как обучающая система для школьников и студентов среднего профессионального образования по курсу электричества. Обучающая система реализована как мультимедийное приложение, работающее в среде операционных систем WindowsXX, представляет из себя электронный конструктор, в котором обучащийся может «собирать» различные электрические схемы и наблюдать за установившимся режимом их работы, подключая различные источники постоянного или переменного тока. В процессе своих исследований обучащийся может использовать современные измерительные приборы в число которых входят цифровой мультиметр и двухканальный осциллограф (рисунок 13.).

Рис. 13. Интерфейс компьютерной программы Начала ЭЛЕКТРОНИКИ 1.2

Рассмотрим поробнее особенности измерительных приборов, имеющихся в компьютерной программе Начала ЭЛЕКТРОНИКИ 1.2. Начнем с цифрового мультиметра. Общий вид и расположение элементов управления и гнезд для подключения мультиметра к электронной схеме приведены на рисунке 14. Переключение режимов работы и пределов измерения производится «щелчком» манипулятора «мышь» на метках соответствующих пределов (при установке указателя на пределы он принимает вид руки). Мультиметр позволяет проводить измерения:

• напряжений постоянного и переменного тока;

• силы постоянного тока;

• сопротивлений участков цепи постоянного тока.

Мультиметр может проверять наличие контактов с использованием звуковой сигнализации.

Рис. 14. Общий вид мультиметра компьютерной программы

Начала ЭЛЕКТРОНИКИ 1.2

Рассмотрим правила работы с цифровым мультиметром компьютерной программы Начала ЭЛЕКТРОНИКИ 1.2:

1. Мультиметр вызывается на экран (рабочий стол) нажатием кнопки «Получить мультиметр» на верхней панели окна программы. Следующее нажатие на эту кнопку вызывает второй прибор (при этом кнопка блокируется). Для удаления прибора нужно щелкнуть на кнопке x в правом верхнем углу окна мультиметра. Прибор вместе со своими зажимами исчезает с экрана.

2. Подключение мультиметра к точкам исследуемой схемы производится установкой в нужные места общего (темно-синего) и измерительного (красного) зажимов, соединенных с соответствующими гнездами прибора. Соединительные провода прибора на экране не показываются, чтобы не загромождать монтажный стол.

Для подключения прибора к исследуемой схеме необходимо:

• установить указатель «мышки» на нужный зажим прибора (указатель примет вид руки);

• нажать и удерживать левую кнопку «мышки»:

• перетащить зажим (удерживая кнопку) в нужную точку схемы и отпустить кнопку «мышки».

Если в процессе работы требуется переключить зажимы в другие места схемы, то используется эта же процедура. Перенос зажима на область прибора приводит к его автоматической «парковке» на соответствующее входное гнездо мультиметра.

3. Переключение режимов работы прибора осуществляется установкой указателя «мышки» на соответствующую точку панели прибора (при этом указатель изменяет свой вид) и щелчком левой кнопки «мышки». Переключатель режимов работы мультиметра поворачивается в отмеченную позицию.

4. На цифровом табло прибора отображается числовое значение измеряемой величины (тока, напряжения, сопротивления) в единицах, указанных на выбранном пределе измерения. Если в левой части табло высвечивается - 1 (переполнение), это говорит о том, что значение измеряемой величины превышает максимальное значение выбранного предела измерения. Необходимо переключить прибор на другой предел.

5. Вы можете использовать для работы один или два мультиметра, которые имеют номера 1 и 2. Зажимы приборов также имеют соответствующие номера. Приборы могут использоваться одновременно и независимо. Например, первым прибором можно измерять напряжение, а вторым - ток, в разных частях исследуемой схемы.

Для измерения напряжения на участке исследуемой цепи необходимо учитывать следующее:

• Вольтметр всегда включается параллельно участку цепи, на котором измеряют напряжение (реальный вольтметр может выйти из строя при неправильном включении!);

• Какой вид тока - постоянный или переменный, протекает в цепи? Переключатель режимов работы необходимо установить в соответствующую позицию;

• Вольтметр показывает эффективное значение переменного напряжения;

• При измерении постоянных напряжений вольтметр показывает значение с учетом полярности - если потенциал на измерительном зажиме меньше, чем на общем, на табло высвечивается знак «минус»;

• Пределы измерения постоянного напряжения: 1000 В, 200 В, 20 В, 2000 мВ, 200 мВ.

• Пределы измерения переменного напряжения: 750 В, 200 В.

• Входное сопротивление прибора в режиме вольтметра равно 1 МОм.

Для измерения силы тока на участке исследуемой цепи необходимо учитывать следующее:

• Амперметр всегда включается последовательно в участке цепи, где измеряется сила тока (реальный амперметр может выйти из строя при неправильном включении!);

• Наш амперметр может измерять только силу постоянного тока;

• При измерении силы тока в цепи, амперметр показывает его значение с учетом полярности: если ток через прибор течет от общей клеммы к измерительной, на табло высвечивается знак «минус»;

• Пределы измерения силы постоянного тока: 10 А, 200 мА, 20 мА, 2000 мкА;

• Входное сопротивление амперметра очень мало (около 10 -6 Ом).

Для измерения сопротивлений необходимо учитывать следующее:

• Омметр может измерять только активное сопротивление элементов схемы;

• Пределы измерения сопротивлений: 2000 кОм, 200 кОм, 20 кОм, 2000 Ом, 200 Ом и специальный предел для определения контактов со звуковой сигнализацией;

• На измеряемый участок схемы прибор подает напряжение 2 В;

• Прибором можно определять наличие контакта в схеме, при этом, если сопротивление измеряемого участка меньше 75 Ом, подается звуковой сигнал.

Двухканальный осциллограф компьютерной программы Начала ЭЛЕКТРОНИКИ 1.2. предназначен для визуального наблюдения формы переменного напряжения. Общий вид и расположение элементов управления двухканального цифрового осциллографа приведены на рисунке 15.

Рис. 15. Общий вид лицевой панели двухканального цифрового осциллографа компьютерной программы Начала ЭЛЕКТРОНИКИ 1.2

Двухканальный цифровой осциллограф позволяет определять количественные характеристики сигнала: частоту и амплитуду переменного напряжения, длительность импульса, сдвиг фаз между двумя периодическими сигналами (для этого осциллограф должен быть двухканальным). Входное сопротивление осциллографа достаточно велико (около 10 МОм).

Лицевая панель осциллографа содержит следующие части:

• Экран с масштабной сеткой для наблюдения формы сигнала и количественных измерений;

• Панель управления усилением каналов и сдвига лучей по вертикали;

• Панель управления разверткой, сдвига лучей по горизонтали, выбора режимов синхронизации и некоторых вспомогательных функций.

Рассмотрим правила работы с двухканальным цифровым осциллографом компьютерной программы Начала ЭЛЕКТРОНИКИ 1.2:

1. Осциллограф вызывается на экран (рабочий стол) нажатием кнопки «Получить осциллограф» на верхней панели окна программы. Для удаления осциллографа нужно щелкнуть на кнопке в правом верхнем углу его окна. Осциллограф вместе со своими зажимами исчезает с экрана.

2. Подключение осциллографа к точкам исследуемой схемы производится установкой в нужные места общего (темно-синего) и измерительного (красного) зажимов, соединенных с соответствующими гнездами осциллографа. Соединительные провода на экране не показываются, чтобы не загромождать монтажный стол. Зажимы имеют обозначения (буквы А и В), соответствующие каналам осциллографа.

Для подключения осциллографа к исследуемой схеме необходимо:

• установить указатель «мышки» на нужный зажим прибора (указатель примет вид руки);

• нажать и удерживать левую кнопку «мышки»:

• перетащить зажим (удерживая кнопку) в нужную точку схемы и отпустить кнопку «мышки».

Если в процессе работы требуется переключить зажимы в другие места схемы, то используется эта же процедура. Перенос зажима на область прибора приводит к его автоматической «парковке» на соответствующее входное гнездо осциллографа.

3. Установка режимов работы осциллографа осуществляется с помощью регулировки коэффициентов усиления каналов, выбора длительности развертки, режима синхронизации и регулировкой вспомогательных функций.

4. На экране осциллографа нанесена измерительная сетка, с помощью которой можно проводить количественные измерения параметров сигнала.

5. Вы можете использовать для работы один или два канала одновременно. Зажимы осциллографа имеют обозначения «А» и «В», соответственно каналам «А» и «В».

Рассмотрим работу органов управления двухканальным цифровым осциллографом компьютерной программы Начала ЭЛЕКТРОНИКИ 1.2.

Установка коэффициента усиления

Для того чтобы изображение сигнала на экране осциллографа не выходило за пределы экрана или не имело слишком малой амплитуды, необходимо правильно выбрать коэффициент усиления канала.

Коэффициент усиления осциллографа задается в Вольтах/деление. Это означает, например, что цена деления шкалы экрана осциллографа по вертикали будет равна 500 мВ, если значение коэффициента усиления выбрать равным 500 мВ/дел.

Коэффициент усиления осциллографа можно изменять в окне «Усиление» путем выбора нужного значения из предложенного списка. Этот список открывается при нажатии на кнопку t , расположенную справа от окна. Кроме того, можно плавно изменять коэффициент усиления в некоторых пределах с помощью движка s , расположенного правее окна с кнопкой. Для этого необходимо установить указатель «мыши» на этот значок, нажать левую кнопку «мыши» и, удерживая ее в нажатом состоянии переместить движок в нужную позицию.

Движок «Сдвиг по вертикали» позволяет смещать луч осциллографа вверх или вниз.

Выбор режима развертки

Для правильного отображения периодического сигнала необходимо также выбрать соответствующую длительность развертки осциллографа.

Длительность развертки задается в единицах время/деление. Это означает, например, что цена деления шкалы экрана осциллографа по горизонтали будет равна 20 мс, если значение длительности развертки выбрать равным 20 мс/дел. Численное значение длительности развертки задается способами, аналогичными для установки коэффициента усиления.

Движок «Уровень синхронизации» устанавливает момент времени начала развертки сигнала, соответствующий заданному значению его амплитуды. Эта регулировка может оказаться полезной для численного определения фазового сдвига между двумя сигналами. Кнопки «А» и «В» выбирают канал, по которому осуществляется синхронизация развертки.

Кнопка «Сеть» переключает развертку обоих каналов осциллографа от внутреннего генератора синусоидального напряжения. Этот режим используется для наблюдения сложения перпендикулярных колебаний - фигур Лиссажу.

Движком «Яркость» можно изменять интенсивность свечения лучей осциллографа (при этом яркость масштабной сетки не изменяется).

Двухканальный цифровой осциллограф компьютерной программы Начала ЭЛЕКТРОНИКИ 1.2. позволяет проводить измерения:

• амплитуды напряжения переменного тока;

• частоты переменного напряжения;

• сдвиг фазы между двумя сигналами.

В качестве примера, рассмотрим выполнение с помощью измерительных приборов компьютерной программы Начала ЭЛЕКТРОНИКИ 1.2. практической работы по измерению тока, напряжения и электрической мощьности.

Измерение тока и напряжения с помощью мультиметра компьютерной программы Начала ЭЛЕКТРОНИКИ 1.2. показаны на рисунке 16.

Рис. 16. Измерение тока и напряжения с помощью мультиметра

В связи с тем что, мультиметр компьютерной программы Начала ЭЛЕКТРОНИКИ 1.2. не может напрямую измерить электрическую мощьность, можно выполнить косвенные ее измерения.

Рис. 17. Измерение тока и напряжения с помощью мультиметра компьютерной программы Начала ЭЛЕКТРОНИКИ 1.2.

Для этого проыодим измерение тока и напряжения. Результаты измерении записываем в таблицу и выполняем расчеты электрической мощности.

№ п/п

R - сопротивление,

кОм

I -сила тока,

А

U-напряжен.,

В

P- мощность тока,

Вт

1

2

3

Итоги выполнения практической работы:

• Научились проводить косвенные измерения электрической мощности.

• Научились определять мощность электрического тока.

• Научились применять формулы при решении практических задач.

При выполнении практических работ по электротехническим измерениям с помощью виртуальных измерительных приборов, обучающийся застрахован от случайного поражения электрическим током, а приборы не выйдут из строя из-за неправильно собранной схемы. Благодаря компьтерным программам в распоряжении пользователя имеется такой широкий набор приборов, который вряд ли будет доступен в реальной жизни.