Разработка программного анализатора спектра в среде NI DAQ Signal Accessory

В работе рассматриваются и анализируются алгоритмы работы анализаторов спектра. Разработан программный анализатор спектра на основе выбранного алгоритма, планируемый к применению в лабораторных работах учащихся в НИ ТПУ. Результаты испытания заявленных технических характеристик показали высокую гибкость настройки, а так же качественный уровень определения численных значений спектра сигнала.

Определения 15

Обозначения и сокращения 16

Введение 17

1 Анализ спектра сигнала 21

1.1 Основы построения спектра сигнала 21
1.2 Структурные схемы анализаторов 24
1.2.1 Анализаторы спектра последовательного действия 24
1.2.2 Анализаторы спектра параллельного действия 28
1.2.3 Векторные анализаторы сигналов 29
1.2.4 Основные ха ра кте ристики а на лиза торов 31
1.3 Обзор существующих программно-технических средств 34
1.3.1 Осциллограф АКТАКОМ АСК-2041 34
1.3.2 Анализатора спектра DSA 37

2 Виртуальный прибор «Анализатор спектра» 40

2.1 Техническое задание 40
2.2 NI USB 6251 40
2.3 Реализация ВП 44
2.3.1 Основной алгоритм расчета спектра сигнала 44
2.3.2 Реализация алгоритма в среде LabVIEW 46
2.4 Функционал ВП «Анализатор спектра» 47
2.4.1 Задача диапазона частот 49
2.4.2 Расчет гармоник 50
2.4.3 Расчет коэффициентов гармоник 52

3 Экспериментальная часть 54

3.1 Опробование 54
3.2 Определение технических характеристик 56
3.2.1 Эксперимент № 1: Определение разрешения анализа в верхних
граница диапазона 57
3.2.2 Эксперимент № 2: Определения спектра не периодических
сигналов 61
3.2.3 Эксперимент № 3: Определение спектра последовательности
прямоугольных импульсов 63

4 Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и ресурсосбережение 67

4.1 Потенциальные потребители результатов исследования 67
4.2 Организация и планирование научно-исследовательской работы 68
4.3 Определение трудоемкости выполнения работ 69
4.4 Разработка графика проведения научного исследования 70
4.5 Определение бюджета научно-технического исследования 74
4.5.1 Расчет материальных затрат научно-технического исследования 74
4.5.2 Расчет заработной платы основных исполнителей проекта 75
4.5.3 Расчет затрат на социальный налог 76
4.5.4 Расчет затрат на электроэнергию 77
4.5.5 Расчет амортизационных расходов 77
4.5.6 Расчет прочих расходов 78
4.5.7 Расчет общей себестоимости разработки 79
4.5.8 Расчет прибыли 79
4.5.9 Расчет НДС 79
4.5.10 Цена разработки НИР 79
4.6 Оценка научно-технической эффективности исследования 80
Выводы по разделу 82

5 Социальная ответственность 84

5.1 Правовые и организационные вопросы обеспечения безопасности 84
5.1.1 Нормы трудового законодательства 84
5.1.2 Организационные мероприятия при компоновке рабочей зоны 86
5.2 Производственная безопасность 87
5.3 Анализ вредных производственных факторов 87
5.3.1 Отклонение показателей микроклимата 87
5.3.2 Повышенный уровень электромагнитных излучений 88
5.3.3 Недостаточная освещенность рабочей зоны 89
5.3.4 Повышенный уровень электромагнитных излучений 93
5.3.5 Психофизиологические факторы 94
5.4 Анализ опасных факторов 94
5.5 Экологическая безопасность 96
5.6 Безопасность в чрезвычайных ситуациях 96
5.7 Предотвращение распространения эпидемий 98
Выводы по разделу 99

Заключение 101

Список использованных источников 102

Приложение А 107

Приложение Б 120

Приложение В 121

Приложение Г 122
Определения

средство измерения: Техническое средство, предназначенное для
измерений

анализатор спектра: Устройство для визуализации и анализа спектра
сигнала

мультиплексор: Устройство, имеющее несколько сигнальных входов,
один или более управляющих входов и один выход

фильтр: Устройство для выделения желательных компонентов
частотных составляющих сигнала

буфер: Промежуточное хранилище данных, предоставляемое
программным обеспечением и предназначенное для накопления, переноса
или копирования информации

виртуальный прибор: Программное приложение, создаваемое в
среде LabVIEW

виртуальный под-прибор: Программное приложение, создаваемое в
среде LabVIEW, предназначенное для реализации части функций основного
приложения

меандр: Последовательность прямоугольных импульсов со
скважностью 2
Обозначения и сокращения

ЭЛТ – электронно-лучевая трубка;
АЧХ – амплитудно-частотная характеристика;
ПЧ – полоса частот;
АС – анализатор спектра;
РЛС – радиолокационная станция;
РЧ – радио частота;
СВЧ – сверхвысокочастотное излучение;
ПО – программное обеспечение;
БПФ – быстрое преобразование Фурье;
ВП – виртуальный прибор;
АЦП – аналого-цифровой преобразователь;
КГИ – коэффициент гармонических искажений;
КНИ – коэффициент нелинейных искажений;
НИИ – научно-исследовательский институт;
ВУЗ – высшее учебное заведение;
ВКР – выпускная квалификационная работа;
ЭМП – электромагнитное поле;
ПМП – постоянное магнитное поле;
ЧС – чрезвычайная ситуация;
DSA – Dynamic Signal Analyzer;
DAQ – Data Acquisition;
NI – National Instruments;
USB – Universal Serial Bus.

В ходе выпускной квалификационной работы были изучены
математические основы построения спектра сигнала, описаны алгоритмы
функционирования реальных анализаторов спектра. Приведены достоинства
и недостатки существующих на отделении ОАР лабораторных программных
и аппаратных средств. Основные недостатки связаны с заложенным в основе
алгоритме БПФ, а также недостаточным функционалом по настройке
начальных данных анализа.

Полученная информация легла в основу алгоритма построения
спектра сигнала, базирующегося на расчете интеграла Фурье в комплексной
форме для дискетного сигнала. Алгоритм позволяет, при необходимости,
выполнять анализ спектра сигнала в реальном времени. На основе алгоритма
разработан программный виртуальный прибор «Анализатор спектра».
Функционал виртуального прибора дополнен инструментами анализа,
позволяющий получать численные значения параметров спектра.

В ходе испытаний разработанного программного «Анализатора
спектра» получено подтверждение необходимых технических характеристик,
корректное построение спектров как периодических, так и не периодических
сигналов.

Виртуальный прибор планируется применять в лабораторных работах
студентов НИ ТПУ. Дальнейшее развитие проекта заключается в добавлении
функционала расчета фазы сигнала, параллельного анализа двух сигналов, с
возможностями математических операций с построенными спектрами.
Виртуальный прибор позволит углубить понимание студентами частотной
составляющей электрических сигналов, на практике сопоставить
рассчитанные математически и реальные спектры, а также сформировать
представление о дискретизации аналоговых величин.