Tutorial Avanzado de LabVIEW: Añada Análisis a Sus Aplicaciones

Para proveer visualización de datos y toma de decisiones en tiempo real, y tener la habilidad de determinar si una condición particular de prueba pase o falle, muchas aplicaciones de LabVIEW necesitan capacidad de análisis. Sin embargo, el seleccionar el algoritmo o función correcta no siempre es fácil. Antes de LabVIEW 7 Express, se necesitaba un conocimiento sofisticado de los algoritmos subyacentes para seleccionar las funciones correctas de análisis. Hoy, usando los nuevos VIs en NI LabVIEW 8.20, puede construir funciones desde mediciones espectrales y distorsión hasta ajuste de curvas y filtrado digital de manera correcta dentro de aplicaciones existentes y nuevas en LabVIEW. Los nuevos VIs Express simplifican este proceso reduciendo el cableado y suministrando ventanas de diálogo interactivas que le ayudarán a visualizar las selecciones correctas de configuración para su aplicación. En esta nueva versión de LabVIEW encontramos las funciones más comunes para análisis, procesamiento de señal y funciones matemáticas. No tendrá que cablear múltiples constantes y controles para definir lo que deben hacer estos VIs. En cambio, usted extrae la información desde las señales adquiridas mediante una configuración interactiva de estos nuevos VIs para ver inmediatamente como afectan los datos adquiridos.

Mediciones Espectrales con Contenido de Frecuencia

El nuevo VI Express de medición espectral de LabVIEW suministra todas las herramientas necesarias para analizar el contenido espectral de señales. Ofrece funciones típicas tales como magnitud (pico y rms), potencia espectral y fase. Este VI Express también incluye herramientas para asegurar que los resultados sean exactos.

En aplicaciones prácticas, usted solo obtiene un número finito de muestras de la señal. Para descomponer la señal en términos senoidales de tamaño infinito, la FFT (Transformada Rápida de Fourier) extiende implícitamente el registro de tiempo finito repitiéndolo de forma periódica. Si sus datos muestreados no contienen exactamente un ciclo de una señal periódica subyacente, la propiedad de extensión periódica de la FFT puede producir discontinuidades artificiales en las fronteras de los datos muestreados. Estas discontinuidades resultan en fugas espectrales, o una mancha de energía desde su frecuencia actual para todas las otras frecuencias. Ya que la fuga espectral cambia la amplitud y frecuencia de medición, debe minimizar este efecto para asegurar mediciones espectrales exactas. Puede aprovechar los nueve algoritmos de ventanas en el VI Express de medición espectral para reducir dicha fuga espectral.

Este VI también incluye la opción de realizar promedios con cada marco adicional de su señal. El promedio espectral es una herramienta crítica para reducir los efectos aleatorios que el ruido tiene en sus mediciones de frecuencia. Aplicando promedios, usted asegura que un ambiente de medición con ruido no afecte adversamente el análisis que realiza en la señal.

Mediciones de Distorsión con Cuantificación de Calidad de Señal

El nuevo VI Express de medición de distorsión en LabVIEW calcula la señal en ruido, distorsión (SINAD) y el total de distorsión armónica (THD). Estas mediciones estándares le ayudan a cuantificar la calidad de una señal o la linealidad de un sistema. SINAD tiene en cuenta los efectos tanto del ruido como de armónicos en la señal de interés. La distorsión pura ocurre debido a los elementos no lineales en sistemas electrónicos donde las señales son amplificadas o manipuladas de otra forma. Estas no linealidades resultan en armónicos que crean características no deseadas en la señal, desde cambios imperceptibles en las formas de onda senoidal en el dominio del tiempo hasta serias deformaciones de la señal asociadas con el rango de sobrecarga o recorte de señal.

La función THD suministra la distorsión total, o la proporción en porcentaje de la suma de valores rms de todos los armónicos a la amplitud rms de la señal fundamental. Además, el VI Express de mediciones de distorsión puede encontrar el nivel de un armónico particular e incluso buscar por una frecuencia particular dentro de un porcentaje del rango de frecuencia. A medida que usted configura esta función, podrá ver una vista previa de la señal resultante en la ventana de diálogo de configuración.

Las aplicaciones típicas para esta función incluyen el análisis de fidelidad de sonido de amplificadores y equipos de grabación, pruebas de paso-fallo de transmisión de audio en teléfonos celulares y generalmente cualquier prueba no lineal en una ruta de señal.

El Ajuste de Curva Matemáticamente Modela Señales

El nuevo VI Express de ajuste de curva en LabVIEW (Figura 1) suministra una forma interactiva de encontrar un modelo matemático para una señal adquirida ajustando una curva a ésta. Esta función incluye múltiples modelos lineales así como modelos no lineales. Dependiendo del algoritmo que seleccione, el resultado varía en exactitud y necesidades de recursos computacionales. El modelo lineal es el más simple y encuentra el mejor ajuste para los puntos de datos usando una línea recta entre ellos. El modelo cuadrático emplea polinomios de segundo orden y trabaja mejor cuando los datos adquiridos contienen elementos cuadráticos. El modelo de tira emplea polinomios de tercer orden y también es conocido como tira cúbica. Este modelo es apropiado para suavizar los datos adquiridos.

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Figura 1. Curve Fitting Express VI

El modelo polinomial es más flexible en el sentido que puede seleccionar el orden del polinomio de ajuste. El siguiente modelo en nivel de complejidad, usualmente más exacto, son con cuadrados menores generales, lo cual es una combinación lineal simple de funciones que usted especifica. Finalmente, el modelo no lineal es la selección más flexible. Debe usarlo cuando su modelo sea una función tanto de una variable independiente (x) y parámetros adicionales (b) que introducen no linealidad cuando se evalúan. Un ejemplo es el modelo no lineal y = a sin (bx) donde usted encuentra coeficientes a y b.

Este nuevo VI Express provee el mejor ajuste, así como también los elementos residuales de la señal y el promedio del error al cuadrado. De esta manera puede determinar la validez del modelo y asegurar la exactitud de cálculos subsecuentes.

El Filtrado Elimina Elementos no Deseados en la Señal

Los filtros digitales son una de las herramientas más frecuentes en procesamiento de señales ya que suministran mecanismos poderosos para eliminar partes indeseadas de una señal. El nuevo VI Express para filtros de LabVIEW puede configurar filtros pasa bajo, pasa alto, pasa banda, rechaza banda y de suavizado. Puede configurar rangos de corte, número de tapas para filtros de respuesta de impulso finito (FIR), orden para filtros de respuesta de impulso infinito (IIR) y topología de filtros como filtros Butterworth y Elíptico. En la ventana de diálogo para  configurar el VI Express de filtros, puede ver la señal de entrada,  como se adquirió y una vista previa de la señal resultante después del filtrado. Con este VI Express, puede probar diferentes tipos de filtros y configurar mediante la vista previa la respuesta en frecuencia del filtro. Los beneficios de esta manera interactiva para configurar los filtros es que usted no necesita entender las diferencias entre ellos para lograr los resultados deseados.

Ejemplo: Removiendo ruido no lineal

El siguiente diagrama de bloques de LabVIEW (Figura 2) representa una aplicación que usa cuatro de todas la funciones. En este caso, usted tiene una señal de ruido de 100 Hz con no linealidades que produce armónicos a 200 Hz. La combinación de ruido y armónicos no deseados resulta en una calidad de señal pobre.

Figura 2. Removiendo Ruido

El objetivo es obtener un modelo que represente el sistema con el fin de modificarlo y eliminar los elementos que causan las no linealidades. Puede lograrlo usando el VI Express de ajuste de curva en LabVIEW, el cual le da correctamente los coeficientes para el modelo. Los valores indican el siguiente polinomio: 0.4x2 + 0.25x + 2.

Además, usted desea limpiar la señal para verificar que en efecto incluye la frecuencia deseada. Si ponemos un filtro pasa banda con unas frecuencias entre 80 Hz y 110 Hz. Para obtener el espectro, puede usar el VI Express de medición espectral de LabVIEW para aplicar promedios y disminuir significativamente el ruido.

Aquí solo hablamos de cuatro de los nuevos VIs Express de análisis disponibles en LabVIEW 8.20. Con estos VIs, puede hacer rápidamente aplicaciones prototipo donde adquirir y entender la señal sea esencial, independientemente de su familiaridad con los algoritmos. Usando los VIs gráficos, puede realizar algoritmos de análisis avanzado y de procesamiento de señal a la medida que adquiere los datos, obteniendo por tanto retroalimentación inmediata. Finalmente, a través de los cuadros de diálogo de los VIs Express, puede ver los efectos que esos algoritmos tendrán en sus datos antes de ejecutar incluso el programa.

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