Visual Analyser: современная виртуальная измерительная лаборатория для студентов

(Alfredo Accattatis, Marcello Salmeri, Arianna Mencattini, Giulia Rabottino, Roberto Lojacono, Department of Electronic Engineering, University of Rome “Tor Vergata” Viale del Politecnico, 1 – 00133 – Roma, Italy)

Сокращенный вариант перевода документа симпозиума по проблемам электрических и электронных измерений.

Visual Analyser – это свободный программный инструмент, разработанный научным подразделением и предназначенный для использования студентами в качестве современной виртуальной измерительной лаборатории. Программу можно использовать либо со звуковой картой, имеющейся во всех персональных компьютерах, либо с отдельным оборудованием в качестве интерфейса, чтобы реализовать мощность современных компьютеров для достижения наибольшей эффективности. Visual Analyser включает большой набор инструментов, как анализатор спектра, генератор сигналов, осциллограф и множество других средств обработки сигналов. Благодаря своим возможностям Visual Analyser был принят многими профессиональными и академическими лабораториями по всему миру.

Программа Visual Analyser была разработана для нескольких различных целей, а именно:

1. В качестве инструментов полной виртуальной измерительной лаборатории для студентов.
   
2. Для исследовательской деятельности в области обработки сигналов, разработки и синтеза.
   
3. Для демонстрационных целей при чтении лекций, освоении концепций, подобных быстрому преобразованию Фурье, цифровым фильтрам, теореме Найквиста, кепстрального анализа, взаимной корреляции, синтеза сигналов, искажений и наложений.
   
4. Для применения и тестирования оценок неопределенности, поскольку алгоритмы, используемые в Visual Analyser, те же, что и в реальных инструментах.
   
5. Для применения и тестирования разных программных многопоточных стратегий, чтобы получить лучшие результаты в реальном времени.

Возможности полного исходного кода позволяют динамически адаптировать программу для первых четырех целей. Например, «Electrical Impedance Spectroscopy» связано с генерацией и анализом сигналов в диапазоне 20 Гц – 50 кГц. И была возможность быстро приспособить Visual Analyser для этих измерений. ECG (или EEG) анализ сигналов также интересное поле, где Visual Analyser можно быстро приспособить, скажем, для вычисления в реальном времени спектров ECG–RR изменений. А в качестве примера по третьему пункту программа Visual Analyser была приспособлена для выполнения полного в реальном времени цифро-аналогового преобразования в качестве осциллографа, хотя иногда это не всегда хорошо понимается.

Другими словами, мы разработали оптимизированный поток, способный реконструировать цифровой сигнал, используя теорему Найквиста. Это означает, что в «окне осциллографа» сигнал всегда продолжается и хорошо подходит для демонстрации теоремы выборок. Фактически, можно включить и выключить цифро-аналоговое преобразование сигнала в реальном времени (в процессе получения данных), что явно показывает разницу между оцифровываемым сигналом и реконструированным сигналом. Более того, можно, используя два канала, показать оба сигнала в получаемой (выборками) и «оригинальной» или «реконструированной» форме, улучшая качество демонстрации.

Студенты могут проделать множество разных измерений, используя Visual Analyser, щуп и простую схему защиты. Например, Visual Analyser может определить частотную характеристику звукового устройства. Можно генерировать белый шум, подать его в устройство, рассчитать входной и выходной спектр, и вычислить передаточную функцию в реальном времени, отобразить сигнал в частотном и временном представлении, одновременно генерируя сигнал и вычисляя передаточную функцию.

Другой пример, можно генерировать несущую с амплитудной модуляцией: студент может демодулировать сигнал и отделить несущую от оригинального сигнала, строго в реальном времени. Студент может также синтезировать сигнал, используя встроенный механизм в Visual Analyser (Visual Tool), сгенерировать и одновременно показать его, дополнительно он может применить разные предопределенные реального времени фильтры (полосовые, низкочастотные, высокочастотные и т.д.), что позволяет яснее понять спектральный анализ и фильтрование. Мы показали лишь несколько примеров того, как множество измерений может быть легко проделано без дорогостоящего профессионального оборудования в университетских лабораториях и/или дома.