Анализатор частотных характеристик АЧХИ-102

1В настоящее время в различных отраслях техники широко применяются анализ и синтез систем с помощью логарифмических амплитуднофазовых частотных характеристик (ЛАФЧХ), которые позволяют определять основные показатели исследуемых систем и их эффективные режимы функционирования. Получение ЛАФЧХ реальных технических объектов осуществляется путем подключения к исследуемым объектам специализированных устройств регистрации сигналов с последующей обработкой и расчетом частотных характеристик (ЧХ). Совокупность измерительновычислительного блока (ИВБ) и устройства управления вычислениями образует собой анализатор частотных характеристик.

Проектирование и производство анализаторов в настоящий момент активно осуществляется за рубежом. Однако при рассмотрении эксплуатационных характеристик и функциональных возможностей зарубежных анализаторов выявлены недостатки, обусловленные проектированием этих приборов для решения ранее определенного спектра задач. Приборы такого типа, например, оптимизированы на исследование объектов в существенно ограниченных частотных диапазонах либо имеются значительные ограничения, накладываемые на входные сигналы объекта.

Учитывая недостатки зарубежных приборов и принимая во внимание их достоинства, создан отечественный анализатор частотных характеристик АЧХИ-102, который позволяет экспериментально определять амплитудно-фазовые частотные характеристики технических объектов, в том числе автоматизированных электро- и гидроприводов и других систем автоматического управления и их элементов, а также двухполюсников.2

Прибор оснащен генератором тестовых сигналов с маломощным и мощным выходами, двумя измерительными каналами X и Y , системой управления (СУ) и программным обеспечением для персонального компьютера (ПК) с целью интерактивной работы с прибором. В общем виде блок-схема анализатора при снятии ЧХ объекта изображена на рис. 1.

Измерительно-вычислительный блок

Исследуемый объект

Рис. 1. Блок-схема анализатора АЧХИ-102 при снятии ЧХ в общем виде

Генератор тестовых сигналов построен с применением микроконтроллера и цифроаналогового преобразователя (ЦАП), благодаря которым на основе табличных значений функции синуса с использованием питающего напряжения разного уровня (основной и мощный выходы генератора) реализуется гармонический сигнал для требуемых значений амплитуды, частоты и смещения фазы:

U ( t ) = U m sin ( to t + V U ) , (1)

Re Y = J Y ( t ) cos ( to t )dt =

T

N Y cos

= 2 1

j = 1

( ( j - 1 ) to A t ) + Y j cos ( j to A t )

-A t ,

Im Y = J Y ( t ) sin ( to t ) dt =

T

где ω – частота генерируемого  сигнала;

U_M , ψ _U – амплитуда и смещение фазы генератора.

N

= 2 -j j = 1

sin ( ( j - 1 ) to A t ) + Y j sin ( j to A t )

где T – время интегрирования; N – число значе-

Диапазон частот генератора составляет 0,1 мГц – 2 МГц, а максимальные напряжения ос-

ний сигналов за время интегрирования; A t - шаг

новного и мощного выхода с учетом постоянного смещения равны соответственно ± 10 и ± 25 В.

Каналы измерения имеют входной делитель 1:10, две ступени десятикратного усиления, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) и микроконтроллер, позволяющий регистрировать входной сигнал, преобразовывать его и производить расчет ЧХ. Максимальное напряжение на входе канала составляет ± 30 В, диапазон измерения модуля равен ± 120 дБ, а диапазон измерения разности фаз составляет ± 180 град.

Сигналы X ( t ) и Y ( t ) регистрируются каналами в виде набора дискретных значений, каждое из которых соответствует текущей фазе генератора. По полученным выборкам применяются дополнительные преобразования с целью повышения точности определения ЧХ путем получения усредненного периода исследуемых сигналов. Далее путем Фурье-анализа [1] рассчитываются синфаз-

интегрирования.

Построение логарифмической амплитуднофазовой частотной характеристики осуществляет-

ся по значениям модуля и аргумента для иссле-

дуемых частот, которые определяются по сле-

дующим выражениям:

L = 10lg

( Re Y ) ² + ( Im Y ) ² ( Re X ) 2 + ( Im X ) 2

V = arctg

Im Y ^ Re ? J

- arctg

Im X

Re X

ные и квадратурные составляющие сигналов:

Re X = J X ( t ) cos ( to t ) dt =

T

= 2

j = 1

( ( j - 1 ) to A t ) + X j cos ( j to A t )

-A t ,

Im X = J X ( t ) sin ( to t ) dt =

T

= 2

j = 1

( ( j - 1 ) to A t ) + X j sin ( j to A t )

-A t ,

Система управления выполняет связующую роль между прибором и оператором персонального компьютера. В измерительно-вычислительном блоке СУ координирует действия генератора и каналов измерения, передает команды и получает результаты их исполнения. Взаимодействие ИВБ с ПК осуществляется путем передачи информации по USB-кабелю.

Управление ИВБ, прием данных, вывод результатов на принтер и монитор с возможностью сохранения результатов измерений осуществляется в специализированном программном обеспечении (ПО), разработанном для АЧХИ-102.

ПО позволяет проводить снятие ЧХ в ручном и автоматическом режимах. В ручном режиме оператор может настраивать амплитуду и частоту генератора, после установки которых на осциллограмме появляются два периода сигналов, поступающих на входы каналов измерения. Вертикальная ось графика градуируется в процентах от полной шкалы АЦП, а горизонтальная – в значениях текущей фазы сигнала. Для регулировки уровня

А.Г. Волович, Г.И. Волович, В.П. Щербаков сигналов во фрейме анализатора имеется возможность выбора коэффициентов передачи каналов, а также настройки постоянного смещения. После установки необходимых параметров задается длительность измерения в секундах, однако измерение завершится только после окончания текущего периода сигнала генератора.

В автоматическом режиме указывается верхняя и нижняя частоты диапазона, количество экспериментальных точек, время измерения, амплитуда и частота генератора. При снятии ЧХ коэффициенты передачи, постоянные смещения и амплитуда генератора корректируется оптимальным образом с целью минимизации ошибок, возникающих при регистрации входных сигналов каналов измерения.

По окончании каждого измерения выводятся результаты в таблицу и точки на графопостроитель в логарифмическом масштабе, причем экспериментальные точки графиков амплитудной и фазовой ЧХ соединяются плавными кривыми.

Анализатор частотны х характеристик АЧХИ-1 0 2 благодаря наличию двух измерительных каналов позволяет снимать ЧХ отдельных объектов в за м кнутой системе автоматического управления. Например, исследование электрической цепи происходит по схеме, изображенной на рис. 2.

Снятие и построение ЛАФЧХ осуществляется путем использования фу н кций ручного режима (р и с. 3) и автоматического р ежима (рис. 4).

Сравнение полученных результатов с теоретическими осуществляетс я при помощи расчета ЛАФЧХ RC -цепи в программе MathCAD с последующим выводом теоретических и экспериментальных частотных характеристик на график (р и с. 5).

Из сравнения теоретических и экспериментальных ЛАФЧХ следует, что наибольшая абсолютная погрешность полу ч енных амплитудных и ф а зовых ЧХ прибором не превышает 0,1 дБ и 0, 5 град соответственно при измерениях в диапазоне ± 80 дБ.

Л=10кОм С=0,1 мкФ

Рис. 2. Схема исследования технического объекта

Рис. 3. Диалоговое окно ручного режима

АЧХИ-102

Слраеса

Во весь экран

21.Z412

-32.Г5О4

Рис. 4. Диалоговое окно автоматического режима

2.069138

2 636650

4.281332

-0.13136

-0.15864

-0.20099

-03Э475

-036050

-0.83137

-1.75393

-3.61378

-4.9Ы66

-637157

-8.07442

-23.3269

-2*.32*8

-34.S495

-lS.»I»j

-4 330 36 -5.76506 -733080 -9.30977

-1*.9О54

-1Н.Л54

Рис. 5. Теоретические и экспериментальные амплитудные и фазовые ЧХ

Благодаря применению специальных модулей корректирования коэффициентов передачи измерительных каналов регистрация входных сигналов осуществляется качественно, значительно сокращая помехи при дискретизации низковольтных сигналов и увеличивая тем самым динамический диапазон. Наличие генератора, двух измерительных каналов, простого и удобного программного обеспечения с автоматическим режимом и обеспечение широкого диапазона измерений частотных характеристик позволяют использовать прибор АЧХИ-102 для исследования различных электротехнических объектов, электрических элементов и прочих систем автоматического управления.