Рисунок 3.5 - Блок диаграмма программы в системе LabVIew, для проверки максимального значения



Таблица3.1 - Описание элементов программы управления в LabView

	DBL Numeric	Ввод данных частоты F
	Numeric	Максимальное значение частоты - 60 МГц
	Boolean	Индикатор превышения максимальной частоты
	Select	Возвращает значение 1 входа или 2 входа, в зависимости от состояния х. Если х - ИСТИНА, эта функция возвращает значение 1 входа. Если ЛОЖЬ, возвращается значение 2 входа
	Reciprocal	Деление 1 на значение
	Multiply	Функция умножение
	Divide	Функция деления
	Subtract	Функция вычитания
	Less Or Equal?	Сравнивание (меньше или равно)

Перевод частоты из десятичного в двоичный код для формирования пяти управляющих слов W0-W4.



Рисунок 3.6 - Фрагмент блок диаграммы для выполнения формирования пяти управляющих слов W0-W4

Таблица3.2 - Описание элементов программы управления в LabView

	Number To Boolean Array Function	Преобразует целое число или плавающую точку в логический массив.
	Number To Boolean Array Function	Преобразует логическое ЛОЖЬ или ИСТИНА значение в 16-разрядное целое число со значением 0 или 1, соответственно.
	Array To Spreadsheet String Function	Преобразует массив в строку.
	Search and Replace String Function	Заменяет один или все, биты данных на другие данные. Чтобы включать многострочный массив.
	String Subset Function	Возвращает типы строк данных. Индикатор соединителя показывает типы данных для этой полиморфной функции.
	Scan From String Function	Просматривает входную строку и превращает ее для форматирования новой строки.
	Reverse String Function	Воспроизводит строку, в обратном порядке. Индикатор показывает типы данных по умолчанию для этой полиморфной функции.

Разбиение двоичного кода на пять управляющих слов W0-W4. Перестановка управляющих слов в правильной последовательности. Подача управляющих слов в порт цифрового ввода-вывода для записи в генераторы через строб-импульс FQUD.

Рисунок 3.7 - Фрагмент блок диаграммы для подачи управляющих слов в порт цифрового ввода-вывода

Последовательное включение генераторов с задержкой. Всего 22 кадра с выводом данных на 24 разрядные линии цифрового ввода - вывода.



Рисунок 3.8 - Фрагмент блок диаграммы для последовательного включения генераторов с задержкой

Таблица3.3 - Описание элементов программы управления в LabView

	Stacked Sequence Structure	Состоит из одного или нескольких поддиаграмм или кадров, которые выполняются последовательно. Щелкните правой кнопкой мыши по границе структуры, чтобы добавлять и удалять кадры, чтобы передавать данные между кадрами. Используйте Stacked Sequence Structure, чтобы обеспечить последовательное выполнение процедур.
	Digital DAQmx output writer	Инициализация и запись цифровых данных в 32 разрядный порт ввода - вывода.

На лицевой панели виртуального прибора управления симметричным трехфазным генератором расположены устройства ввода исходного значения частоты, инициализации устройства, временной задержки генератора (время его отставания необходимо учитывать для поддержания разности фаз в 120°).

Исследована работа программируемого трехфазного генератора на основе DDS синтеза частоты. Полученные результаты позволяют говорить об устойчивости частоты во времени по трем выходным каналам. Некоторая погрешность возникает при программном формировании сдвига фаз для первого, второго и третьего выходов во времени (погрешность синхронизации). Устранение этой погрешности будет выполнено при дальнейших исследованиях.

Осциллограммы выходных каналов трехфазного генератора приведены на рисунках 3.9.

Для отображения осциллограммы трехфазного генератора использован стандартный осциллограф (Oscilloscope) из набора виртуальных приборов NI Elvismx.

На осциллограммах путем курсорных измерений показана частота на выходе генератора 49,97 Гц и значение временного сдвига между соседними фазами - 6,16 мс.

Рисунок 3.9 - Осциллограммы выходных каналов трехфазного генератора

3.3 Разработка виртуального прибора трехфазного осциллографа

В выпускной квалификационной работе был разработан инструмент для исследования работы DDS генератора. Для эксперимента был выбран трёхфазный генератор, созданный ранее. Разработан виртуальный трёхканальный осциллограф, позволяющий снять необходимые данные, посчитать сдвиг фаз, амплитуду сигналов. Средой программирования выбран LabView, так как данная среда напрямую предназначена для создания виртуальных приборов, подключается к стенду NI ELVIS, с помощью которого будет происходить сбор данных для исследования. Разрешающая способность виртуального прибора определяется возможностями используемого устройства сбора данных

Лицевая панель осциллографа, представлена в приложении Д. Лицевая панель виртуального прибора в LabVIEW с использованием стандартных элементов управления, представлена в приложении Д.

Виртуальный осциллограф имеет интерфейс схожий с аналоговым осциллографом. На экране исследуемые сигналы показаны разными цветами. Первому каналу соответствует белый цвет, второму - красный, третьему - зеленый. Так же есть стандартная сетка, которая позволяет измерять амплитуду и длительность.

В левой части панели присутствуют ручки регулировки развертки по вертикали (вольт/деление) для каждого канала, а так - же цветовая маркировка и возможность его отключения. Вертикальная развертка изменяется в диапазоне от 1 мВ/деление до 50 В/деление. Имеется ползунок, позволяющий сдвигать сигнал по вертикали для удобства исследования.

В нижней части лицевой панели есть ручка изменения развертки по времени в диапазоне от 1 мксек до 400 мсек/деление. Так же есть цифровые табло с данными, снятыми с исследуемых сигналов, а именно действительное напряжение, размах, частота.

На рисунке 3.10 представлена графическая схема алгоритма работы виртуального прибора.



Рисунок 3.10 - Блок-диаграмма разработанного трехфазного осциллографа

Код программы разработанного прибора на языке LabView, представлен в приложении Д. Описание функций, использованных в программе приводится в таблице 3.4.

Таблица 3.4 - Описание использованных функций

Символ	Наименование	Описание
	Analog DAQmx input reader	Инициализация устройства ввода-вывода аналоговых сигналов.
	Analog input	Осуществление ввода с трех аналоговых вводов AI0 - AI2.
	Indicator	Индикаторы использования каналов ввода-вывода (вкл/выкл).
	Loop for condition	Опрос каналов ввода-вывода в цикле.
	Cursor measurements	Использование курсорных измерений и определение числового значения напряжения.
	Frequency measurements	Определение числового значения частоты.
	Divide	Ввод значения множителя развертки по уровню и умножение входных значений.
	Timing range	Ввод значения развёртки по времени и умножение входного сигнала на введенное значение.
	Output graph	Вывод и отображение масштабированных значений сигналов по трем каналам на экране трехканального осциллографа.

С помощью стенда NI Elvis осуществляется сбор данных с трёх аналоговых входов. Далее каждый сигнал масштабируется по амплитуде, по времени, и выводится на экран и цифровые табло виртуального осциллографа.

Был проведен эксперимент, в котором сверялись данные, полученные разработанным виртуальным прибором и реальным аналоговым осциллографом. В ходе проведения эксперимента было установлено правильности работы виртуального прибора. На осциллограммах были отражены: одинаковые амплитуды, частоты и сдвиги фаз.

Рисунок 3.11 - Проведение эксперимента

К осциллографу был подключен трехфазный DDS генератор, который необходимо проверить. В теории симметричный трёхфазный генератор должен генерировать сигналы с одинаковой амплитудой, частотой, и углом сдвига фаз равным 1/3 периода.

Рисунок 3.12 - Погрешности воспроизведения частоты

Рисунок 3.13 - Образцовый сигнал

Сравнивая полученный результат с эталонным, было отмечено, что сдвиг фаз не всегда принимает нужное значение - 120.

На основании проведенного эксперимента можно сделать вывод:

- создан виртуальный прибор - трехканальный осциллограф;

- проверен разработанный прибор методом сравнения с образцовым сигналом;

- с помощью виртуального трехканального осциллографа проверили трехфазный DDS генератор, по полученным данным видно, что генератор не всегда работает симметрично, и сдвиг фаз не всегда соответствует 1/3 периода и со временем может меняться.

Для устранения этих неисправностей необходимо применять дополнительные корректировки, например, систему фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ), описанную во второй главе.

3.4 Моделирование работы трехфазного несинусоидального генератора в среде Multisim 12.0

ЭДС каждой фазы трехфазного генератора или трехфазного трансформатора в ряде случаев оказываются несинусоидальными. Каждая из ЭДС (E_А, E_В, E_С) повторяет по форме остальные со сдвигом на 1/3 периода (Т/3) и может быть разложена на отдельные гармоники. Постоянная составляющая обычно отсутствует. Полученные формулы вы можете увидеть на экране.

Пусть k-ая гармоника ЭДС фазы А:

(3.1)

где - выходное мгновенное значение напряжения фазы А, В;

- амплитуда выходного напряжения К-ой гармоники, В;

- номер гармоники выходного напряжения;

щ - круговая частота изменения сигнала, с^-1;

t - время изменения сигнала, с,

- начальная фаза гармоники, град.

Тогда:

(3.2)

(3.3)

(3.3)

где - выходное напряжение фазы А, В;

- выходное напряжение фазы В, В;

- выходное напряжение фазы С, В;

- амплитуда выходного напряжения К-ой гармоники, В;

- номер гармоники;

щ - круговая частота изменения сигнала, с^-1;

t - время изменения сигнала, с,

- начальная фаза гармоники, град.

Рассмотрим симметричную нагрузку, соединенную звездой.



Рисунок 3.14 - Схема соединения трехфазной нагрузки звездой с нулевым проводом

Рисунок 3.15 - Схема соединения трехфазной нагрузки звездой с нулевым проводом в программе Multisim 12.0

На осциллограмме данной схемы можем наблюдать отсутствие третьей гармоники, т.к. напряжение Um3 = 0В.



Рисунок 3.16 - Осциллограмма схемы соединения трехфазной нагрузки звездой с нулевым проводом в программе Multisim 12.0

Рисунок 3.17 - Показания мультиметра. При напряжении третьей гармоники Um3 = 0В, ток практически отсутствует



Рисунок 3.18 - Показания мультиметра. При напряжении третьей гармоники Um3 = 3В, появляется ток

При симметричной нагрузке, соединенной звездой, фазные токи основной составляющей и всех высших гармоник, за исключением гармоник, кратных трем, образуют системы прямой и обратной последовательностей и их сумма равна нулю. Гармоники порядка, кратного трем, образуют систему нулевой последовательности и при наличии нулевого провода создают в нем ток, равный утроенной сумме токов высших гармонических составляющих нулевой последовательности:

(3.4)

где - ток в нейтральном проводе;

- ток в фазе А;

- ток в фазе В;

- ток в фазе С;

- амплитудные значения тока третьей гармоники, А;

- начальная фаза тока третьей гармоники;

- амплитудные значения тока шестой гармоники, А;

- начальная фаза тока шестой гармоники;

- амплитудные значения тока девятой гармоники, А;

- начальная фаза тока девятой гармоники;

- круговая частота изменения сигнала, с^-1;

- время, с.

Действующее значение тока в нейтральном проводе:

(3.5)

где - действующее значение тока в нейтральном проводе;

- действующее значение третьей, гармоники тока;

- действующее значение шестой гармоники тока;

- действующее значение девятой гармоники тока.

Рассмотрим симметричное соединение треугольником.

Рисунок 3.19 - Схема соединения трехфазной нагрузки треугольником



Рисунок 3.20 - Схема соединения трехфазной нагрузки треугольником, собранная в программе Multisim 12.0

Форма входного фазного напряжения Еа представлена на осциллограмме. Это напряжение содержит все три гармоники (U_m1a, U_m2a, U_m3a).



Рисунок 3.21 - Осциллограмма схемы соединения трехфазной нагрузки треугольником с нулевым проводом в программе Multisim 12.0



Рисунок 3.22 - Осциллограмма, в составе сигнала которой отсутствует третья гармоника тока

Измеряем падение напряжения на резисторе, которое по форме совпадает с током. Из осциллограммы видно, что в составе сигнала нет третьей гармоники тока. Подтверждается вывод о том, что гармоники нулевой последовательности через нагрузку, соединенную треугольником, не проходят.



Рисунок 3.23 - Окно спектрального анализатора, в составе сигнала присутствуют три гармоники тока

Рисунок 3.24 - Окно спектрального анализатора, в составе сигнала отсутствует третья гармоника тока



Заключение

В выпускной квалификационной работе рассмотрен микропроцессорный комплект NI ELVIS II, для которого был разработан трехфазный DDS генератор для исследования нестационарных режимов электрических цепей.

Были решены задачи:

-выполнена разработка и испытание DDS генератора с использованием комплекса NI Elvis и программного обеспечения LabView;

-спроектирована печатная плата трехфазного генератора на основе синтезаторов DDS;

-разработан виртуальный трёхканальный осциллограф, позволяющий снять необходимые данные, посчитать сдвиг фаз, амплитуду сигналов, в качестве программного обеспечения выбрана система Lab View;

-исследованы несинусоидальные режимы в программе NI Multisim 12.0

-разработана печатная плата в САПР P-CAD 2004 Trial.

Области применения синтезаторов DDS разнообразны: разработчикам телекоммуникационных устройств требуются генераторы с мгновенной перестройкой частоты, с низким уровнем фазового шума и с низким уровнем гармоник и интермодуляционных составляющих. В радиотехнике синтезаторы DDS применяются для модуляции сигнала, в качестве источников опорного сигнала для генераторов с петлей ФАПЧ, в качестве генераторов - гетеродинов, и даже для прямого синтеза радиосигнала. В электротехнике и энергетике при помощи таких генераторов возможно создание источников с несимметричными и несинусоидальными параметрами, что позволит исследовать и снизить уровни потерь, а так же оптимизировать режимы использования энергетических систем.



Библиографический список

1 Белов А.В. Самоучитель по микропроцессорной технике / А.В. Белов. СПб: Наука и техника, 2007 354 с.

2 Мерфи Е., Слэттери К. Все о синтезаторах DDS. / Компоненты и технологии, №1, 2005, с 60 - 66.

3 Петров В.В., Изучение программно-логической модели ПЭВМ на уровне ассемблера., Омский государственный университет путей сообщения, Омск. 2012., 40 с.

4 Чегодаев Ф.В., Программирование микроконтроллеров AVR на языке «Assembler»: методические указания к выполнению лабораторных работ., / Омский государственный университет путей сообщения, Омск. 2011., 39 с.

5 В. Н. Зажирко, А. Г. Зверев, Т. В. Ковалева, А. А. Кузнецов, Н. В. Пашкова, А. Ю. Тэттэр Компьютерное моделирование в дисциплинах «Теоретические основы электротехники» и «Электротехника». Учебное пособие для вузов / Омский гос. ун-т путей сообщения. Омск. 2006. 89 с.

6 Andrey Kuznetsov, Andrey Zverev, Mariia Kuznetsova, Vitaliy Agarkov. Research Three Phase DDS Generator at the NI ELVIS Stands / 2015 International Siberian Conference on Control and Communications (SIBCON). Proceedings. - Omsk: Omsk State Technical University. Russia, Omsk, May 21?23, 2015. IEEE Catalog Number: CFP15794-CDR. ISBN: 978-1-4799-7102-2.

7 Джеффри Т. LabVIEW для всех. - М.: ДМК Пресс; ПриборКомплект, 2005. 544 с.

8 Лопаткин А. В. Проектирование печатных плат в системе P-CAD 2001. Н. Новгород, НГТУ, 2002 -178 С.

9 Голуб В. http://www.chipnews.ru/html.cgi/arhiv/00_04/stat_2.htm Электронный ресурс.

10 Михалев П. Микросхемы ФАПЧ и синтезаторы на их основе производства компании Analog Devices Компоненты и технологии * № 4, 2006 с. 48-53.

11 Ю. Магда LabVIEW практический курс для инженеров и разработчиков - М.: ДМК Пресс, 2014. 207 с.

12 Марк Е. Хернитер Multisim. Современная система компьютерного моделирования и анализа схем электронных устройств. - М.: ДМК Пресс, 2011. 501 с.

13 СТП ОмГУПС-1.2-2005. Работы студенческие учебные и выпускные квалификационные: общие требования и правила оформления текстовых документов.



Приложение А

(обязательное)

Графический материал

1 - ноутбук; 2 - USB кабель; 3 - настольная рабочая станция NI ELVIS II; 4 - макетная плата; 5 - блок питания; 6 - сетевой шнур питания

Рисунок А.1 - Комплект лабораторного оборудования NI ELVIS II



1 - макетная плата NI ELVIS II; 2 - плавкий предохранитель мультиметра; 3 - клеммы для подключения к мультиметру; 4 - разъемы для подключения к осциллографу; 5 - разъем выхода функционального генератора или входа цифрового запуска; 6 - монтажное отверстие под винт на макетной плате; 7 - разъем для подключения макетной платы; 8 - выключатель питания макетной платы; 9 - световые индикаторы статуса; 10 - элементы управления регулируемыми блоками питания; 11 - элементы управления функциональным генератором

Рисунок А.2 - Рабочая станция NI ELVIS II с макетной платой



1 - гнезда аналоговых входов; 2 - разъем для подключения к рабочей станции; 3 - гнезда цифрового ввода/вывода; 4 - группа светодиодных индикаторов пользователя; 5 - пользовательский разъем типа D-Sub; 6 - гнезда счетчика-таймера; 7 - гнезда мультиметра, аналоговых выходов, функционального генератора, регулируемых источников питания и источников питания постоянного тока; 8 - индикаторы источников питания; 9 -клеммы с винтовым зажимом; 10 - пользовательские BNC-разъемы; 11 - пользовательские разъемы штекерного типа; 12 - крепежные отверстия под винт

Рисунок А.3 - Макетная плата NI ELVIS II



Приложение Б

(обязательное)

Разработка трехфазного генератора

Рисунок Б.1 - Расположение микросхем на системной плате NI ElVIS II



Рисунок Б.2- Структурная схема трехфазного DDS генератора



Рисунок Б.3 - Макетный образец трехфазного генератора в стандарте NI ELVIS II



Приложение В

(обязательное)

Разработка печатной платы

Рисунок В.1 - Схема электрическая принципиальная трехфазного генератора на основе DDS синтезаторов



Рисунок В.2 - Печатная плата трехфазного генератора. Сторона элементов



Рисунок В.3 - Печатная плата трехфазного генератора. Сторона проводников



Приложение Г

(обязательное)

Принцип фазовой автоподстройки частоты

РисунокГ.1 - Структурная схема устранения частотных сдвигов в трехфазном DDS генераторе с использованием метода ФАПЧ

Рисунок Г.2 - Сигнал на выходе генератора с устраненным частотным сдвигом



Приложение Д

(обязательное)

Разработка виртуального прибора

Рисунок Д.3 - Блок диаграмма виртуального прибора генератора подробная



Рисунок Д.4 - Блок диаграмма виртуального прибора генератора в свернутом виде

Рисунок Д.5 - Лицевая панель виртуального прибора управления трехфазным генератором



Рисунок Д.6 -Лицевая панель трехканального осциллографа



Рисунок Д.7 - Код программы трехканального осциллографа, разработанного на языке LabView

Размещено на Allbest.ru

...