Visual Analyser - виртуальный измерительный комплекс. Часть 2 - Измеритель импеданса с автоматической компенсацией смещения

2. Visual Analyser - "Settings window", окно установок

2.1 Main

Окно установок программы Visual Analyser

 2.1.1 Основные параметры

FFT size – это размер внутреннего буфера захваченных выборок. Программа читает «FFT size» байт из звуковой карты, а затем, когда следующий буфер будет заполнен: рассчитает спектр частот по значениям FFT (быстрое преобразование Фурье), выведет выборки в окне осциллографа (последовательно во времени), и выполнит все остальные выбранные функции, исключая задачи окна «peak frequency meter» (когда разрешение больше, чем первый выбор) и окна «waveform generator», которое работает в отдельном потоке.

Количество захваченных выборок во второй степени, как этого требует алгоритм FFT. Количество гармоник будет, согласно алгоритму FFT, эквивалентно половине размерности буфера. Например, для буфера с 4096 выборками Visual Analyser рассчитывает 4096/2 = 2048 гармоник. Если частота выборки задана, например, 44100 Гц (то есть, полоса 22050 Гц, см. далее), это означает «Spectral line resolution, разрешение спектральных линий» 22050/2048 = 10.77 Гц, как и означено в окне setting/main.

Frequency sampling – это количество выборок, получаемых Visual Analyser в секунду. Оно строго зависит от полосы: полоса равна половине частоты выборок, как обозначено в поле Bandwidth окна setting/main.

Number of channels – это количество каналов чтения через выбранный вход звуковой карты (обычно два = стерео). Выбор опции «mono» со стерео звуковой картой будет эквивалентен выбору SUM двух каналов (то есть, Ch A + B опции).

(8) (16) (24) (32) bit depth – этими флажками вы выбираете разное разрешение (в битах), допускаемое вашей звуковой картой; неактивное значение не позволено для выбранного входа звуковой карты. Чтобы выбрать другую карту, щелкните по «in/out device» в окне установок.

Smoothing window – если синусоида проходит через ноль в самом начале и в конце временной последовательности, результат FFT спектра будет состоять из одной линии с правильной амплитудой и правильной частотой. Если же, с другой стороны, уровень сигнала не нулевой в обоих случаях записи, обнаруживается усечение сигнала, приводящее к разрывности в выборках сигнала. Эта разрывность вызывает проблемы с процессом FFT, и, как следствие, размазывание спектра из линии в полосу линий. Это называют «рассеянием»; энергия сигнала «рассеивается» из правильного положения в смесь линий.

Рассеяния можно избежать, если временная последовательность проходит через ноль, где синхронизируется с временами выборок, но этого невозможно добиться на практике. Вид рассеянного спектра зависит от множества усечений сигнала, и все обычно непредсказуемо для реальных сигналов.

В плане удаления эффекта рассеяния необходимо, чтобы уровень сигнала был принудительно обнулен в начале и в конце времени выборки. Это достигается перемножением данных выборок с функцией «smoothing window», которая может иметь несколько разных видов. Разница между каждым из окон сглаживания (smoothing window) в способе, которым они переходят от младшего веса близ края к большему весу у середины последовательности. Если «оконная» функция не используется, это называется «Rectangular», «Flat» или «Uniform» обрамлением.

Когда окно сглаживания выполняет хорошую работу по принудительному обнулению, оно также добавляет искажения во временную последовательность, которая отражается в боковой полосе частот спектра. Эти боковые частоты, или боковые лепестки, эффективно ослабляют частотное разрешение анализатора; это происходит так, как если бы спектральные линии расширялись. Измеренная амплитуда взвешенного сигнала также неверна, поскольку часть уровня сигнала удаляется взвешивающим процессом. Чтобы умощнить это ослабление, алгоритм сглаживания задает дополнительный вес значениям близким к середине последовательности.

2.1.2 Характеристики разных окон сглаживания

Тип окна	Разрешение частоты	Разрешение амплитуды	Подавление рассеяния	Приложение
Bartlett	Хорошее	Хорошее	Умеренное
Blackman	Хорошее	Неплохое	Великолепное	Измерения искажений
Flattop	Плохое	Великолепное	Умеренное	Измерение точной амплитуды
Hamming	Хорошее	Хорошее	Хорошее
Hanning	Хорошее	Великолепное	Великолепное	Измерения искажений, измерение шумов
Triangular	Хорошее	Хорошее	Плохое
NONE	Великолепное	Плохое	Плохое	Измерение частоты с высоким разрешением, измерение импульсных характеристик

 2.1.3 Канал

Это окно позволяет выбрать канал, который будет отрисовываться во всех остальных окнах Visual Analyser.

• Ch A (зеленый цвет). В этом случае выбирается левый канал звуковой карты. Осциллограф покажет только левый канал, тот же, что для спектра, вольтметра, частотомера. Окна «edit spectrum» и «log samples» будут удерживать только выборки, относящиеся к левому каналу.
   
• Ch B (красный цвет). То же, что для Ch A, но относится к правому каналу.
   
• Ch A and B (зеленый и красный цвет). Выбрав эту опцию, вы получите возможность видеть оба, левый и правый, канала в окне осциллографа и анализатора спектра. Частотомер покажет значение левого канала, а вольтметр оба.
   
• Ch A – B. Это специальная функция. Обычно используется для расчета АЧХ звуковых устройств, позволяет отрисовать разницу спектров, канал А минус канал В. Окно осциллографа покажет оба канала (не разницу) для целей относящихся к определению частотных характеристик. Частотомер покажет только канал А. Окно вольтметра покажет разницу каналов (белый цвет).
   
• Ch B – A. То же, что и в предыдущем случае, но после обмена каналов местами.
   
• X – Y. Это визуализация x-y, как у реального осциллографа. Ось X – это левый канал, ось Y – правый канал. Окно анализатора спектра будет показывать оба канала, как и вольтметр. Частотомер покажет левый канал.
   
• Ch A + B. При выборе пункта Ch A + B в окне осциллографа будет показана сумма двух каналов (желтый цвет), как и в окне анализатора спектра, в окне вольтметра и частотомера.

2.1.4 Выбор окон

Вы можете выбрать одно или больше разных окон в Visual Analyser. Если вы в режиме «плавающих окон», список таков:

• Peak frequency meter.
• Spectrum Analyser.
• Oscilloscope.
• Wave generator.
• Phase.
• Volt meter.

Если вы в стандартном режиме:

• Peak frequency meter.
• Wave generator.
• Phase.
• Volt meter.

Поскольку в «стандартном режиме» окна осциллографа и анализатора спектра всегда видны в основном окне.

2.1.5 Кнопка переключения (Standard | Floating) режимов

Эта кнопка позволяет перейти от стандартного режима к плавающему режиму и наоборот. Стандартный режим – это первое появление Visual Analyser на экране. Таким образом, Visual Analyser виден в полноэкранном виде с минимальным разрешением 800x600 пикселей и свободным масштабированием от этого размера. Основное окно имеет окна осциллограф и анализатора спектра плюс набор команд, которые вы найдете в окне установок.

В «Floating mode» основное окно уменьшается в полосу панели команд с набором кнопок, «индикатором» и выпадающим списком источников входа (доступным только для случая, когда не установлен флажок «apply calibration» в Setting/Calibrate). В плавающем режиме вы можете свободно выбирать окно, которое вас интересует. Конфигурация Visual Analyser автоматически сохраняется; таким образом, при следующем запуске программы вы найдете те же окна, в тех же местах и тех же размеров, и с теми же выбранными настройками. В плавающем режиме окна легко масштабируются (исключая генератор и окно установок). Горизонтальный размер окна осциллографа будет фиксирован (512 пикселей), если флажок «fit 512 pix» установлен в Setting/Spectrum. В этом случае вид гармоник Visual Analyser:

• 1 пиксель = 1 гармонике, если количество гармоник 512 (буфер 512×2 = 1024 точки).
   
• 1 пиксель = сумме двух гармоник, если количество гармоник 1024 (буфер 1024×2 = 2048).
   
• 1 пиксель = сумме трех гармоник, если количество гармоник 2048 (буфер 2048×2 = 4096).
   
• …и т.д.

Если количество меньше 512:

• 2 пикселя = 1 гармонике, если количество гармоник 256 (буфер 256×2 = 512 точек).
• 4 пикселя = 1 гармонике, если количество гармоник 128 (буфер 128×2 = 256 точек).
• …и т.д.

2.2 Spectrum

2.2.1 Введение

«Spectrum» – это окно, в котором вы найдете все установки для анализа спектра. На панели команд окна анализатора спектра (только в плавающем режиме) есть набор опций для простоты использования. Ползунок «Phase Threshold» относится к окну phase, но это упомянуто здесь по двум причинам: во-первых, окно phase строго соотносится с окном анализа спектра, фактически, окно спектра, по определению, построено на амплитудном и фазовом спектрах; во-вторых, это единственная команда, относящаяся к окну phase, так что, нет смысла посвящать этому целое окно.

2.2.2 Установки масштаба окна анализатора спектра

Step Y scale – позволяет выбрать большие шаги шкалы Y, когда используется шкала дБ.

X-axis – здесь целая философия графики окна спектра.

Кратко, вы можете выбрать X-scale оси X окна анализатора спектра. Более детально, точки спектра всегда во второй степени. Что означает 128, 256, 512 и т.д. Идея в том, чтобы поместить исключительно значения гармоник и пикселей. Таким образом, минимальная ширина окна спектра была установлена в 512 пикселей. В итоге, для каждого определения спектра (512, 1024 и т.д.), вы всегда получаете четное количество гармоник на пиксель, подобно 1, 2, 4, 8 … 2*n; если количество гармоник меньше чем 512, тогда вы всегда получаете четное (2*n) число, но в инверсном виде: одна гармоника на два пикселя, две гармоники на четыре пикселя и т.д. Другими словами, нет странных делений, как 1,3 гармоники на пиксель. В этом случае есть всегда соответствие между гармоникой и пикселем на экране.

3. Измеритель импеданса с автоматической компенсацией смещения

http://www.sillanumsoft.org/ZRLC.htm

Вид ZRLC измерителя при измерении емкости

Я работал над проектом около года и думаю, что другому трудно понять объем проделанной работы по тому, что может означать «другое окно» Visual Analyser.

Есть много опций для измерителя ZRLC. Мне трудно объяснить их все сейчас; для этого я пишу обстоятельный документ. На этой странице я хочу дать только самую основную информацию, пригодную для первого знакомства. ZRLC измеритель включает также вычисление значащих цифр, неточности, а также авто (подстройку) уровня входа/выхода, простой векторный осциллограф (очень выразительный), внутренние фильтры, возможность автоматического выполнения последовательных измерений во временной и частотной областях. И многое другое. Будьте снисходительны, если измеритель ZRLC заслуживает критики. Ключевое слово то же: время!

Небольшое предисловие. Вам понадобится собрать небольшое дополнительное устройство, чтобы получить наилучшие результаты при работе с этим инструментом. Требуемое оборудование – это просто пара операционных усилителей для увеличения входного сопротивления стандартной звуковой карты, обычно довольно низкое; низкий импеданс означает неустойчивые измерения или, другими словами, низкую точность измерений.

Второе небольшое предисловие. Я был вдохновлен существующими работами, такими как работа Dr. George Steber, и другими похожими работами, опубликованными в журнале Elektor, и в других изданиях. Я вначале пытался имитировать их, строя программу на основе LMS алгоритма (он еще включен в Visual Analyser). Позже я разработал программу, использующую ресурсы уже вошедшие в Visual Analyser, получив новую и строго персонифицированную версию измерителя ZRLC, базирующуюся на FFT (быстрое преобразование Фурье), плюс патентованный алгоритм уменьшения максимально возможного уровня (наиболее значимого) ошибок смещения. Получился очень и очень хороший результат, а сравнительное тестирование с профессиональными инструментами будет вскоре опубликовано на моем web-сайте. Все, что я могу сказать сейчас – это то, что я В ВОСТОРГЕ от этих результатов.

3.1 Измеритель ZRLC

Прежде всего, когда задумывался FFT-ZRLC измеритель, я постоянно помнил: нужно уберечь пользователя, хотя бы при первом знакомстве, от преград, связанных с кучей настроек и технических деталей. Если вы правильно собрали схему и запустили Visual Analyser, ZRLC должен быть немедленно готов к работе. Этот так, вы можете немедленно измерять импеданс.

Запустите Visual Analyser 2010 NE-XT, установите флажок ZRLC (на панели анализатора в стандартном режиме работы). Вот окно измерителя ZRLC: наиболее важные параметры были уже установлены. Я рекомендую использовать в основном окне установок 40960 Гц для частоты выборок и 4096 в качестве размера буфера. Этим активизируется сложный алгоритм калибровки, иначе будет использован один из стандартных, менее точный. В следующей версии будет добавлена расширенная калибровка для выбранной частоты и размера буфера.

Окно ZRLC измерителя

В любом случае, основные установки ZRLC измерителя можно найти в окне setting/ZRLC, которое выглядит следующим образом (для версии 2011):

Окно основных установок программы

Очень простая схема, которую вам предстоит собрать, следующая:

Схема дополнительного устройства для увеличения входного сопротивления

Или проще. Идея в том, чтобы увеличить входное сопротивление звуковой карты до максимально возможного уровня. Принцип измерения совсем прост: неизвестный импеданс (Zx) включен последовательно с известным эталонным резистором. Синусоидальный сигнал, генерируемый самим Visual Analyser, приложен к двум последовательным резисторам. Затем, по значениям двух входных каналов звуковой карты, измеряются напряжения на двух резисторах. После чего, просто применяется закон Ома для вычисления неизвестного импеданса.

Меняя значения эталонных резисторов, можно варьировать диапазон измерений инструмента. Я предложил бы следующие значения: 10 Ом, 100 Ом, 1000 Ом, 10 кОм, 100 кОм.

Соответствующий диапазон для измерения сопротивления, импеданса, емкости и индуктивности отображается в программе (см. список в окне редактирования эталонного резистора). Вы можете подумать, как схему на рисунке выше дополнить переключателем эталонных резисторов; сейчас вы должны вручную переключаться с одного диапазона на другой и в программе, и в дополнительном устройстве. Конечно, вы можете встроить «батарею» реле для автоматической коммутации диапазонов. Visual Analyser позволяет приспособить один из выходных каналов для автоматического переключения, используя синусоидальный сигнал 1000 Гц с разной амплитудой. Другими словами, Visual Analyser имеет встроенный алгоритм, который находит наиболее подходящий диапазон для использования и в результате генерирует правильный сигнал, которым вы можете переключать реле.

Я включил этот механизм в ZRLC измеритель, но сейчас я не располагаю временем протестировать его. Как вы видите в окне установок, флажок «auto range» всегда установлен, чтобы генерировать синусоидальный сигнал для переключения диапазонов или СС (если у вас необычная звуковая карта с двухполярным питанием).

В любом случае измеритель ZRLC «предлагает» изменить диапазон просто показывая результат измерения и символ «u» справа от числа (u = up), предлагая перейти к следующему диапазону, или символ «d» (d = down) для противоположного действия.

3.2 Чтобы провести измерение

Соберите схему и подключите ее к вашей звуковой карте, как это показано выше. Затем запустите Visual Analyser и откройте окно ZRLC.

1. НЕ присоединяйте DUT (=Device Under Test, испытуемое устройство, поскольку импеданс не известен).
    
2. Выберите правильный диапазон (например [1], наинизший, если у вас нет идей касательно порядка величины DUT).
    
3. Щелкните по кнопке «Measure»; теперь ZRLC измеритель начнет калибровку; подождите пока появится надпись «Connect DUT»; на дисплее должен появиться символ «Overrange» (правильное, если вы, например, измеряете сопротивление, без подключения к DUT импеданса, будет значение INFINITE, бесконечность, что означает переполнение для любого выбранного вами диапазона, и т.д.).
    
4. Подключите DUT; теперь может иметь место: измерение ОК; тогда вы просто считываете значение. Измерение ОК, но появился символ «u»: переключитесь на более высокий диапазон и начните с пункта 1 (отключив вначале DUT), чтобы получить лучшую точность. «underrange» в «Overrange, переполнение» остается, смените последовательно диапазон и начните с пункта 1 (это означает, что DUT имеет значение много больше, чем выбранный диапазон).

3.3 Вы можете измерять

• Сопротивление.
• Импеданс (действительную и мнимую части).
• Емкость.
• Индуктивность.
• Входной импеданс усилителя, трансформатора и т.д.
• Все предыдущие параметры на разных частотах, и с автоматической разверткой частоты во временной и частотной областях.

Диапазон измерений был рассчитан для частоты 1000 Гц. Если вы используете другое значение, диапазон реактивных компонентов (конденсаторов и индуктивностей) обязательно должен быть изменен, но пока это НЕ обновлено.