Ключевые слова: измерительно-вычислительная система, режекторные фильтры, амплитудно-частотные характеристики, передаточные характеристики, аппаратно-программный комплекс, модель, автоматизация измерений
Для современного рынка электронных устройств характерны высокие требования к качеству структурных элементов схем электронных приборов, предназначенных как для исследовательских целей, так и для построения рабочих систем в области инфокоммуникационных технологий. В современных условиях серийного выпуска схемообразующих деталей существует потребность в налаженном последовательном тестировании приборов, в процессе которого происходит сбор, структурирование и инициализация выходных данных. Для выполнения функций тестирования необходимо построение строго иерархичных измерительных систем с высоким уровнем автоматизации, которые включают в себя оптимальное сочетание условия выполнения определенного спектра задач, а также возможность универсализации, высокую масштабируемость и степень интеграции с другими техническими решениями и приборами. Также высоки требования к степени организации средств управления на иерархическом уровне пользовательского интерфейса. Широкий объемом производства электронных устройств обуславливает необходимость у разработанных систем тестирования выходных характеристик высокого уровня автоматизации сбора и обработки массивов данных в системах. Наиболее оправданным способом представления (визуализации) данных для пользователя ИВС является использование компьютерных и программных средств с высоким уровнем кастомизации для адаптации систем для конкретных задач. Таким образом, с использованием виртуальных инструментов существует огромное количество вариантов построения измерительных систем.
Для поэтапной проработки разрабатываемого измерительного комплекса была спроектирована иерархическая структура (рис. 2). Ввиду требований, выдвинутых к задаче реализации измерительной системы, основным из которых является построение универсальной платформы для автоматизации измерений средствами как программными, так и аппаратными, для реализации существующей модели автоматизированного процесса снятия выходных характеристик было решено использовать программные средства NI LabVIEW [1].
Принцип работы аппаратно-программного комплекса заключается в считывании информации, задаваемой пользователем средствами интерфейса: задается частота режекции и параметры осей графика. Модельная схема, представленная в виде блок-диаграммы (рис. 1) Включает в себя три основных модуля: входных данных, функциональных элементов и визуализации. С модуля входных данных поступает информация для расчета частоты режекции фильтра. Входные данные поступают на блок визуализации, характеристики амплитуды и частоты сигнала на котором передаются в массив и инициализируются на пользовательском интерфейсе программными средствами в виде графика амплитудно-частотных характеристик фильтра (рис. 3). Блок функциональных элементов представляет собой реализацию режекторного фильтра существующими программными средствами на основе блоков: рекурсивный фильтр (IIR Filter), Impulse Pattern (в качестве примитива для отсечки режектируемой полосы на графике), оконный фильтр с конечной импульсной характеристикой и блок АЧХ. Последний необходим для записи расчетных коэффициентов фильтрации, необходимых для задания графика. Для реализации виртуального блока АЧХ (рис. 1) был произведен расчет коэффициентов передачи k1 и k2, выводимых из уравнения передаточной характеристики [2]:
Которое записывается в комплексном виде, как:
При этом k1 при частоте режекции 
принимает значение:
Коэффициент k2 берется равным за 0,4365.
Одной из ведущих задач при разработке принципиальной схемы измерений являлось построение структуры таким образом, чтобы сохранялась ее масштабируемость [3] — возможность нескольких вариантов реализаций. Для обеспечения необходимого уровня точности измерений было решено остановиться на двух способах реализации: на основе виртуальных приборов (в качестве эталонной схемы) и на основе синтеза физических и виртуальных приборов. Первый способ предполагает реализацию всех блоков разработанной схемы (рис. 2) в качестве виртуальных приборов программными средствами NI LabVIEW. В дальнейшем, на основе полученной принципиальной схемы планируется реализация измерительной системы на основе как программных средств, так и аппаратных. Масштабируемая структура реализации измерительной системы также пригодна для включения в реализацию сторонних приборов измерения амплитудно-частотных характеристик, цифрового вольтметра, а также генератора. При данном подходе блоки измерений на основе виртуальных приборов заменяются физическими измерительными приборами.
Данная схема ИВС не требует высоких вычислительных мощностей, поэтому подходит для реализации на базе персонального компьютера с установленным на нем программным комплексом NI LabVIEW, а в качестве устройства представления данных в блоке визуализации используется монитор компьютера.
Рис. 1. Блок-Диаграмма снятия амплитудно-частотных характеристик фильтров
Рис. 2. Принципиальная схема измерений выходных характеристик электронных устройств
Рис. 3. Амплитудно-частотные характеристики тестируемого прибора
Таким образом, модель, полученная в результате разработки принципиальной схемы, адаптированной для двух и более вариантов реализации системы измерения и графического представления выходных данных электронных устройств удовлетворяет требованиям масштабируемости и гибкости для использования системы для широкого круга задач. В результате описанного в данной статье исследования было принято решение отказаться от методов построения вычислительной системы с использованием методов моделирования тестируемого устройства, проводящее к возможным потерями точности сформированной эталонной схемы, пригодной для исследования метрологических характеристик качества измерения [4], однако благоприятствующее адаптации измерительной системы для тестирования более широкого спектра электронных устройств, что было выделено как одна из важнейших задач в проектировании измерительно-вычислительной системы. Данная система подходит в качестве основы для реализации исследовательской задачи по определению метрологических характеристик измерительной системы и нахождению на основе полученных результатов наиболее оптимального способа реализации измерений на основе синтеза физических и виртуальных приборов.
Литература:
- Бутырин П. А. Автоматизация физических исследований эксперимента: компьютерные измерения и виртуальные приборы // М.: ДМК Пресс. — 2005.
- Бобровников Л. З. Электроника: Учебник для вузов. 5-е издание, переработанное и дополненное // СПб.: ПИТЕР. — 2004.
- Мироновский Л. А. Моделирование линейных систем: учебное пособие // СПб.: ГУАП. — 2009.
- Шевчук В. П. Моделирование метрологических характеристик интеллектуальных измерительных приборов и систем // М.: Физматлит. — 2011.
