LabVIEW - Robin Andersson Anton Lord robiand@student.chalmers.se antonlo@student.chalmers.se Januari 2014 Sammandrag Denna laboration går ut på att konstruera ett program i LabVIEW som kan på kommando motta mätdata från ett oscilloskop och presentera det grafiskt. Datan som mottas kommer från en uppkopplad krets med induktans och kapacitans som drivs av en signalgenerator. Abstract The point of this laboration is programming an interface in LabVIEW, which by command, recieves data from an oscilloscope and represents it for the user in a graphical user interface. The oscilloscope recieves a signal from a manually controlled frequency generator, connected via a low-pass filter curcuit.
Innehåll 1 Introduktion 1 2 Teori 1 3 Försöksuppställning 2 4 Utförande av experiment 2 5 Resultat 4
1 Introduktion Uppgiften går ut på att i LabVIEW skriva ett program som plottar frekvenskarakteristiken för en serieresonanskrets. Till kretsen är en funktionsgenerator kopplad som genererar en signal samt ett oscilloskop som mäter kretsens verkan på signalen. Från oscilloskopet sedan hämtas data som ritas upp av det konstruerade programmet i LabVIEW. LabVIEW är ett program som används för att snabbt och effektivt kunna programmera gränsnitt till olika mät- och regleringsanordningar, som användaren sedan kan använda. LabVIEW är i sig en plattform för ett grafiskt programmeringsspråk. 2 Teori Teorin för detta problem är inte invecklad. Teoretiskt sett mäts en AC-signal som är en funktion av en given frekvens f [Hz], som i sig genereras av funktionsgeneratorn. Eftersom vi har en alternerande signal i kretsen kommer både ström och spänning variera sinusformigt. Båda storheterna kan beskrivas matematiskt med trigonometriska funktioner, t.ex. för strömmen i: i(t) = A cos(ωt + ϕ i ), (1) där A är amplituden, ω vinkelfrekvensen, t tiden och ϕ faskonstanten. Den eventuella fasförskjutningen ϕ innebär att ström i och spänning u är ur fas. Det vill säga om de har faskonstanterna ϕ i respektive ϕ u så ges fasförskjutningen av ϕ = ϕ i ϕ u, alltså är de ur fas om ϕ i ϕ u. Skillnaden i fas för i och u uppkommer av reaktiva komponenter i kretsen. Det vill säga, i en krets som är liten relativt våglängden på signalerna, och utan reaktiva komponenter, är ström & spänning alltid i fas. Kretsens teoretiska fasförskjutning räknas lätt ut. Genom att titta på fasen för kretsens totala jω-transformerade impedans, Z = R + 1 jωc + jωl, där R är resistansen, C kapacitansen, L induktansen och j 2 = 1. Då Im(Z) 0 bör det finnas en reaktans i kretsen och vi får då en fasförskjutning. Den teoretiska fasförskjutningen ges av ( ) ( Im(Z) ω 2 ) LC 1 ϕ = arctan = arctan. Re(Z) RωC Vidare kan en teoretisk funktion för strömmen i kretsen beräknas via I(jω) = U Z = U R + j(ωl (ωc) 1 ), 1
där U fås från funktionsgeneratorn. När vi jω transformerar tillbaka strömmen fås ett uttryck liknande ekv.1. 3 Försöksuppställning Funktionsgeneratorn som ska generera signalerna vi mäter är kopplad till kretsen i fråga, från kretsen går en kabel vidare till oscilloskopet. Från oscilloskopet går nu data vidare till en dator via en kabel vilket gör det möjligt att visa datan i LabVIEW - underförstått att vi har skrivit ett fungerande program först för detta ändamål. Ett tänkt scenario i LabVIEW kan ses i figur 1 Figur 2: Ett schema över den elektriska krets som är kopplad mellan funktionsgeneratorn och oscilloskopet. Kretsen kallas också för en RLC krets, och en viktig aspekt med denna krets är att den har en resonansfrekvens ω 0 och är den frekvens som ger kretsen dess minsta möjliga impedans. Resonsfrekvensen kan urläsas i figur 3. 4 Utförande av experiment Vi kommer inleda laborationstiden med att koppla upp kretsen i figur (2) kanalerna 1 och 2 till oscilloskopet. Oscilloskopet kopplas sedan via en GPIB-kabel till datorn, i vilken vi kommer programmera gränsnittet i Labview. Programmet kan tänkas ha 3 huvuduppgifter som skall lösas. Den första är att sköta interaktionen med användaren; start-knappen ska initiera hela mätningen samt avsluta den, och mät-knappen ska signalera att användaren vill göra en 2
Figur 1: Ett tänkt scenario över hur programmets blockschema i LabVIEW kan komma att se ut. I figuren ses funktioner för att ta emot, bearbeta och presentera data, så väl som styrstrukturen som hanterar knapptryckningar i gränsnittet. 3
mätning. Mät-knappen kommer då initiera den andra huvuduppgiften: att samla in och bearbeta data från oscilloskopet. Det kommer genomföras med kommandot GPIB-write som först skickar en förfrågan om vad som skall mätas, och GPIB-read som sedan mottar den efterfrågade datan. Datan som sen kommer tillbaka kommer behöva bearbetas beroende på formatet som oscilloskopet skickar den i, vilket vi märker vid en första testmätning. Sista huvuduppgiften är att presentera datan grafiskt i två grafer, en för ström och en för fasförskjutning. Det kan göras genom att mätdatan sparas arrays för x och y koordinater för varje graf, som sedan byggs på med varje ny mätpunkt och plottas ut i graferna. Rent kodmässigt kommer start-knappen initiera oscilloskopet och ställa det till ett ursprungsläge med kommandot ResetSys, och kommer sedan gå in i en struktur där programmet väntar på att mät-knappen aktiveras, eller att start-knappen avslutar programmet. Om mätknappen trycks ned initieras mätningar för ström och fas, vilket kan kodas som subroutines för att ha mer ordning i koden. För att kunna rita ut en graf för frekvenskarakteristik måste även den aktuella frekvensen på signalen läsas av från oscilloskopet. Subrutinerna kan också inkludera bearbetning av data, så att de på kommando direkt leverar relevant data. Datan lagras i lämpliga arrays och ritas ut i graferna. Här kommer skalan på graferna ändras om vi märker att den beter sig på ett olämpligt sätt. Efter det går programmet återigen in ett läge där det väntar på kommando från användaren. 5 Resultat Den förväntade uppmätta fasförskjutningen som en funktion av frekvensen f, (ω = 2πf), har ritats ut i figur (3). Det är alltså det resultatet vi förväntar oss få med hjälp av det färdiga programmet under laborationen. Notera dock att grafen är ytterst teoretisk och små avvikelser bör uppkomma ty kretsen är långt ifrån ideal. Den förväntade strömmen i(ω, t) är en ström som alternerar sinusformigt vars period minskar för ökad frekvens om vi antar en manuell stadig ökning av frekvensen, ty, i cos(ωt ± ϕ i ). Då ω ökar beter sig strömmen som cos(t 2 ) vilket resulterar i en kontinuerligt minskande period. 4
pi/2 Fasförskjutning påutspänning (rad) pi/4 0 pi/4 pi/2 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000 Frekvens (Hz) Figur 3: Fasförskjutningen som en funktion av frekvensen f där ω = 2πf. I figuren ses också den frekvens f som bör sätta resonanskretsen i resonans, ca f 6325 Hz. Värdet är beräknat med C = 0.1 µf, 250 mh, R = 100 Ω (som är givna i uppgiftsbeskrivningen). 5