Анализ сигнала на выходе электрической цепи

Курсовая работа по программированию на тему:

Анализ сигнала на выходе электрической цепи

1. Описание задачи:

2. Анализ поставленной задачи

3. Разработка структуры программы

4. Тестирование программы Заключение Использованная литература Приложение

Целью этой курсовой работы является получение навыков в разработке программного обеспечения на языке C, а также анализ и решение поставленной задачи и обоснование выбранных методов реализации программы.

1. Описание задачи:

Имеется электрическая цепь, на вход которой подаётся определённый сигнал Uвх. Необходимо по заданному входному сигналу определить сигнал на выходе цепи (Uвых)

Входной сигнал задаётся на временном отрезке в соответствии с графиком:

Рабочий набор:

T нач = 0, t кон = 20

t1 = 10

a = 50В

b = 0.75 1/c

c = 5 1/c

Сигнал на выходе формируется в соответствии с передаточной характеристикой:

Рабочий набор:

U1 = 20 В

U2 = 100 В Также требуется рассчитать длительность переднего фронта входного и выходного сигнала

2. Анализ поставленной задачи

Рассмотрим график входного сигнала. Он описывается данной функцией:

На промежутке от t нач до t1: Uvx (t) =

На промежутке от t 1 до t кон: Uvx (t) =

Выходной сигнал описан функцией, которая зависит от входного сигнала:

Очевидно, что на графике отражены две функции. Одна из них описывается уравнением:

Uвых (Uвх) = U1 / U2 * Uвх Вторая формула:

Uвых (Uвх) = U2

Таким образом, можно ввести систему уравнений для выходного сигнала:

Uвых (Uвх) = U1 / U2 * Uвх при Uвх < U1

Uвых (Uвх) = U2, при Uвх > U1

Таким образом, график функции Uвых (Uвх (t)) будет выглядеть вот так:

3. Разработка структуры программы

Программа разбита на функции, выполняющие свои задачи. Функции будут сгруппированы в модули, решающие схожие задачи. Возможны различные варианты организации структуры — программа может состоять из единственного файла, но гораздо целесообразнее разбить ее на модули. Разбиение на модули может происходить по-разному, но исходя из задач программы, в которые входит, помимо вычислений, и работа с файлами, как для ввода, так и для вывода данных, были выделены главный модуль, являющийся связующим звеном и содержащий меню программы, модуль, отвечающий за вычисления и модуль, отвечающий за работу с файлами. Роль массивов в реализации функций программы существенна — эта структура данных, представляющая собой набор элементов одного типа, позволяет нам с легкостью хранить и обращаться к данным программы независимо от их объема. Программа состоит из следующих модулей:

Заголовочный файл mainheader.h

Здесь описываются директивы препроцессора и глобальные определения, необходимые для работы программы — объявления функций и глобальных переменных.

Модуль main.сpp

Содержит объявления всех глобальных переменных, функцию main () а также функции input_data () и display_data ()

Глобальные переменные:

Массивы времени, входных и выходных данных

double time[N];

double Uvx[N];

double Uvix[N];

Переменные рабочего набора

double t_begin = 0, t_end = 20, t₁ = 10;

double a = 50, b = 0.75, c = 5;

double U1 = 20, U2 = 100;

Функция main () является главной связующей между всеми модулями и функциями программы. В ней объявляются массивы данных и переменные рабочего набора и содержится главный цикл, который выполняется до тех пор, пока пользователь не выберет опцию выхода.

void Input_data () — функция, позволяющая ввести рабочие данные.

void display_data () — функция, выводящая на экран массивы времени, входного и выходного напряжения в виде таблицы.

Модуль calc.cpp

В этом модуле содержатся все функции вычислений.

void form_time () — функция, формирующая массив времени

void form_Uvx () — функция, формирующая массив входных данных

void form_Uvix () — функция, формирующая массив выходных данных

void getfront (double arr[N], frontside side) — рассчитывает и выводит на экран тип и длительность указанного в переменной side фронта, где side — enumeration, принимающий значения LEFT и RIGHT

Модуль file_io.cpp

void read_data () — читает набор данных из файла data. txt

void write_data () — записывает в файл data. txt рабочие данные и массивы времени, входного и выходного напряжения в виде таблицы.

void output_arrays () — выводит массивы времени, входного и выходного напряжения в виде таблицы. в файлы array_time.txt, array_Uvx.txt и array_Uvix.txt в формате, удобном для чтения в программе Maxima.

4. Тестирование программы

Тесты, подтверждающие правильность работы программы. Расчёты сделаны в wxMaxima. Большой сигнал (а = 50)

Малый сигнал (а = 0.75)

Заключение

Поставленная задача успешно проанализирована и решена, получены навыки разработки программного обеспечения на языке C, а также навыки отладки и тестирования программы. Так как программа имеет модульную структуру, легко осуществить ее возможное расширение. Например, возможно добавить графический интерфейс переписав меню, но не затрагивая остального кода; также программа может быть адаптирована под решение более сложной задачи путем расширения соответствующих функций вычислений.

программа сигнал передаточный цепь

Использованная литература:

1. Б. Керниган, Д. Ритчи — «Язык программирования С» 2011

2. Герберт Шилдт — «Полный справочник по С» 2009

Приложение

Исходный код

mainheader.h

#pragma once

#include

#include

#include

#define N 11

enum front

{

DECREASING = 0,

INCREASING = 1,

NOFRONT

};

enum frontside

{

LEFT = 0, //передний фронт

RIGHT //задний

};

extern double time[N];

extern double Uvx[N];

extern double Uvix[N];

extern double t_begin, t_end, t₁;

extern double a, b, c;

extern double U1, U2;

extern double timedelta;

void read_data ();

void write_data ();

void output_arrays ();

void form_time ();

void form_Uvx ();

void form_Uvix ();

void getfront (double arr[N], frontside side);

main.cpp

#include «mainheader.h»

double time[N];

double Uvx[N];

double Uvix[N];

double t_begin = 0, t_end = 20, t₁ = 10;

double a = 50, b = 0.75, c = 5;

double U1 = 20, U2 = 100;

double timedelta=0;

void display_data ()

{

printf («%25s%20s%20snn», «time», «Uvx», «Uvix»);

for (int i = 0; i < N; i++)

{

printf («%5d%20.3lf%20.7lf%20.7lfn», i+1, time[i], Uvx[i], Uvix[i]);

}

}

void input_data ()

{

printf («1) T_begin: %10.3lfn», t_begin);

printf («2) T_end: %10.3lfn», t_end);

printf («3) T₁: %10.3lfn», t₁);

printf («4) a: %10.3lfn», a);

printf («5) b: %10.3lfn», b);

printf («6) c: %10.3lfn», c);

printf («7) U1: %10.3lfn», U1);

printf («8) U2: %10.3lfn», U2);

printf («nEnter variable number and value. 0 to exit menu. n»);

char op = '1';

while (op ≠ '0')

{

scanf («%c», &op);

switch (op)

{

case '1':

{

scanf («%lf», &t_begin);

printf («OKn»);

break;

}

case '2':

{

scanf («%lf», &t_end);

printf («OKn»);

break;

}

case '3':

{

scanf («%lf», &t₁);

printf («OKn»);

break;

}

case '4':

{

scanf («%lf», &a);

printf («OKn»);

break;

}

case '5':

{

scanf («%lf», &b);

printf («OKn»);

break;

}

case '6':

{

scanf («%lf», &c);

printf («OKn»);

break;

}

case '7':

{

scanf («%lf», &U1);

printf («OKn»);

break;

}

case '8':

{

scanf («%lf», &U2);

printf («OKn»);

break;

}

default:

//printf («Unrecognised»);

break;

}

}

}

int _tmain (int argc, _TCHAR* argv[])

{

char op;

while (true)

{

printf («nnEnter charachter: nn1) Form arraysn2) Determine frontsn3)

Output arrays to filesn4) Read data from filen5) Input variables

manuallyn6) Write data to filen7) Display datan8) Exitnn");

scanf («%c», &op);

switch (op)

{

case '1':

{

form_time ();

form_Uvx ();

form_Uvix ();

display_data ();

break;

}

case '2':

{

printf («Uvx:n»);

getfront (Uvx, LEFT);

getfront (Uvx, RIGHT);

printf («nUvix:n»);

getfront (Uvix, LEFT);

getfront (Uvix, RIGHT);

break;

}

case '3':

{

output_arrays ();

printf («nDone.n»);

break;

}

case '4':

{

read_data ();

printf («nDone.n»);

break;

}

case '5':

{

input_data ();

break;

}

case '6':

{

write_data ();

printf («nDone.n»);

break;

}

case '7':

{

display_data ();

break;

}

case '8':

{

exit (0);

break;

}

default:

{

printf («nUnrecognised commandn»);

break;

}

}

}

return 0;

}

Calc.cpp

#include «mainheader.h»

void form_time ()

{

timedelta = (t_end — t_begin) / double (N — 1);

for (int i = 0; i < N; i++) // Формирование массива времени t

{

time[i] = t_begin + i * timedelta;

}

}

void form_Uvx ()

{

for (int i = 0; i < N; i++) // Формирование массива Uvx

{

if (time[i] <= t₁)

{

Uvx[i] = a * (1.0 — exp (-b * time[i]));

}

else

{

Uvx[i] = a * (1.0 — exp (-b * time[i])) * exp (-c * (time[i] - t₁));

}

}

}

void form_Uvix ()

{

for (int i = 0; i < N; i++) // Формирование массива Uvix

{

if (Uvx[i] < U1)

{

Uvix[i] = U2 / U1 * Uvx[i];

}

else

{

Uvix[i] = U2;

}

}

}

void getfront (double arr[N], frontside side)

{

front front = NOFRONT;

int frontlength = 0; //длина в шагах

int first = 0, second = 0; //индексы элементов для определения типа

фронта

double Umax, Umin, UH, UL;

if (side == LEFT)

{

first = 0; second = 1;

}

else if (side == RIGHT)

{

first = N-2; second = N-1;

}

if (arr[first] < arr[second])

{

front = INCREASING;

}

else if (arr[first] > arr[second])

{

front = DECREASING;

}

if (side == LEFT)

{

for (int i = 1; i < N; i++)

{

if ((front == INCREASING && arr[i-1] < arr[i]) || (front ==

DECREASING && arr[i-1] > arr[i]))

{

frontlength++;

}

else

{

break;

}

}

}

if (side == RIGHT)

{

for (int i = N-1; i > 0; i—)

{

if ((front == INCREASING && arr[i-1] < arr[i]) || (front ==

DECREASING && arr[i-1] > arr[i]))

{

frontlength++;

}

else

{

break;

}

}

}

if (side == LEFT)

{

if (front == INCREASING) { Umin = arr[0]; Umax = arr[frontlength]; }

else if (front == DECREASING) { Umin = arr[frontlength]; Umax = arr[0];

}

}

else if (side == RIGHT)

{

if (front == INCREASING) { Umin = arr[N-frontlength-1]; Umax = arr[N;

1]; }

else if (front == DECREASING) { Umin = arr[N-1]; Umax = arr[N;

frontlength-1]; }

}

UH = Umin + 0.9*(Umax-Umin);

UL = Umin + 0.1*(Umax-Umin);

double fronttime = 0;

if (side == LEFT)

{

for (int i = 0; i < frontlength; i++)

{

if (arr[i] >= UL && arr[i] <= UH) fronttime += timedelta;

}

}

else if (side == RIGHT)

{

for (int i = N-1; i > N-frontlength; i—)

{

if (arr[i] >= UL && arr[i] <= UH) fronttime += timedelta;

}

}

char *frontside = (side == LEFT? «Forward»: «Back»);

char *fronttype = (front == DECREASING? «decreasing»: «increasing»);

if (front == NOFRONT)

{

printf («There is no %s front. n», frontside);

return;

}

else

{

printf («%s front is %s, duration is %20.15lf steps %d n», frontside,

fronttype, fronttime, frontlength);

}

}

File_io.cpp

#include «mainheader.h»

using namespace std;

void skipchars (FILE* f, int number)

{

for (int i = 0; i <= number; i++)

{

fgetc (f);

}

}

void read_data ()

{

FILE *f;

char dummy[70];

fopen_s (&f, «data.txt», «r»);

fscanf (f, «%s %lf», &dummy, &t_begin);

fscanf (f, «%s %lf», &dummy, &t_end);

fscanf (f, «%s %lf», &dummy, &t₁);

fscanf (f, «%s %lf», &dummy, &a);

fscanf (f, «%s %lf», &dummy, &b);

fscanf (f, «%s %lf», &dummy, &c);

fscanf (f, «%s %lf», &dummy, &U1);

fscanf (f, «%s %lf», &dummy, &U2);

char temp[255];

fgets (temp, 255, f);

fgets (temp, 255, f);

//fgets (temp, 255, f);

for (int i=0; i

{

skipchars (f, 16);

fscanf_s (f, «%lf», &(time[i]));

fscanf_s (f, «%*c%lf», &(Uvx[i]));

fscanf_s (f, «%*c%lf%*c», &(Uvix[i]));

fgets (temp, 255, f);

}

fclose (f);

}

void write_data ()

Uvx

void output_arrays ()

{

FILE *f1,*f2,*f3;

fopen_s (&f1," array_time.txt" ," w");

fopen_s (&f2," array_Uvx.txt", «w»);

fopen_s (&f3," array_Uvix.txt", «w»);

for (int i=0;i

{

fprintf (f1," %20.7fn", time[i]);

fprintf (f2," %20.7fn", Uvx[i]);

fprintf (f3," %20.7fn", Uvix[i]);

}

fclose (f1);

fclose (f2);

fclose (f3);

}