Пашенцев Измерителный комплекс на основе персоналного компютера и измерителных модулей. Лабораторная работа 2009

Входное устройство, показанное на рис.2.3, состоит из переключателя входа (открытый (~), закрытый (~) , земля ( ), входное сопротивление 50 Ом), аттенюатора АТТ и усилителя. Аттенюатор (делитель) и усилитель приводят сигналы к рабочему диапазону АЦП.

Рис.2.3. Схема входного устройства осциллографа

Вход открытый (~) пропускает без изменений сигнал на вход аттенюатора.

Вход закрытый (~) не реагирует на постоянное напряжение, так как оно падает на разделительном конденсаторе. При закрытом входе исключается вертикальное смещение сигналов на экране из-за постоянного напряжения. В процессе измерений изображения сигналов в разных узлах цепи, имеющих различный уровень постоянного напряжения, также не будут смещаться по вертикали.

Вход земля ( ) применяется для заземления входа осциллографа с одновременным отключением его от сигнала. Он предназначен для поиска или перемещения линии развертки с нулевым напряжением на входе (“нулевая” линия). С его помощью можно определить полярность импульса. Изображение импульса, которое находится выше “нулевой” линии развертки, имеет положительную полярность, ниже – отрицательную.

Вход 50 Ом включается для согласования входного сопротивления осциллографа с волновым сопротивлением кабеля. Согласование требуется для импульсов с короткой длительностью фронта (1–100 нс) и сигналов синусоидальной формы в высокочастотном диапазоне частот больше 1 МГц. В согласованном режиме отсутствуют отражения импульсов от входа осциллографа и стоячие волны при измерении синусоидальных сигналов. В этом режиме сопротивление 50 Ом подключается параллельно входному сопротивлению 1 МОм, шунтируя его. Если вход 50 Ом отсутствует в осциллографе, то ко входу подключается разъем тройникового типа, к одному из входов которого подключается “разъем – заглушка” с сопротивлением 50 Ом, а к другому измерительный кабель.

10

АЦП (рис.2.2) преобразует аналоговый непрерывный сигнал в дискретный. АЦП считывает мгновенные значения через одинаковые интервалы времени (шаг дискретизации), преобразуя входное напряжение очередной выборки в цифровой код [3]. Основные характеристики АЦП: минимальный шаг дискретизации t, количество разрядов и рабочий диапазон входного напряжения UР. Для 8–разрядного АЦП экран осциллографа разбивается на 256 (28) уровней по вертикали. Абсолютная погрешность АЦП составляет один уровень, поэтому относительная погрешность будет равна 1/256=0,4 %. Шаг квантования по вертикали составляет UР/256. Минимальный шаг дискретизации (1–10 нс) зависит от быстродействия АЦП. Часто в паспортных данных приводят

максимальную частоту выборки, вычисляемую в	единицах 1Gs/s –
1 GigaSample/second (одна гигавыборка в секунду),	что эквивалентно
частоте выборки, измеряемой в ГГц.

Таймер вырабатывает тактовые импульсы выборки АЦП. Шаг дискретизации должен превышать время преобразования АЦП для корректного преобразования аналогового сигнала в дискретный. Таймер обеспечивает равномерное считывание данных, являясь аналогом генератора развертки.

Шаг дискретизации t не всегда выбирается минимальным. Это связано с ограниченным объемом памяти ОЗУ. Если длительность сигнала большая (миллисекундный диапазон), то частые выборки мгновенных значений приведут к быстрому переполнению памяти. В результате в память будет записан небольшой по длительности фрагмент сигнала. Поэтому шаг дискретизации (или частота выборки) зависит от длительности развертки T , которая равна интервалу времени, в течение которого развертка проходит весь экран осциллографа в горизонтальном направлении. Шаг дискретизации равен t=T / V= kр L / V, где V – объем памяти, kр – коэффициент развертки, L –число горизонтальных делений экрана (обычно 10 дел). Например, для отображения одного периода синусоиды с частотой 1 кГц с помощью модуля с объемом памяти 10 Кбайт требуется шаг дискретизации равный 100 нс. Это значение в десятки раз превышает минимальный шаг дискретизации, обычно составляющей 1–10 нс.

ОЗУ служит для записи амплитудно-временных параметров сигнала для последующего его отображения на экране монитора или для записи данных в файл с целью их накопления в архиве и дальнейшей программной обработки. В качестве ОЗУ может использоваться оперативная память компьютера, если пропускная способность канала передачи модуля, длина линии связи модуля с компьютером и тактовая частота системной платы достаточны для передачи данных в оперативную

11

память компьютера. Если поток входных данных высокий, то микросхемы памяти устанавливаются внутри модуля. После записи данных в быстродействующее ОЗУ модуля они более медленно передаются в память компьютера через канал передачи и линию связи (USB, RS–232). Объем памяти ОЗУ равен количеству ячеек, в которые записываются 8–12–разрядные коды выборок. Объем ОЗУ измерительных модулей составляет 2–128 Кбайт.

Схема синхронизации служит для получения устойчивого изображения сигнала на экране монитора [3]. Экран и оперативная память осциллографа делятся на две части: первая часть – для записи сигнала до момента прихода импульса синхронизации, вторая часть – для записи сигнала после импульса синхронизации (рис.2.4). Перемещение по адресам памяти осуществляет счетчик записи (рис.2.2), на вход которого поступают тактовые импульсы от таймера, а на выходе формируется номер тактового импульса в двоичном коде. Момент прихода синхроимпульса обозначается буквой Т (Trigger). Импульс синхронизации формируется или самим исследуемым сигналом (внутренняя синхронизация), или является внешним (внешняя синхронизация). Левая часть экрана отображает предысторию исследуемого импульса, которая предшествует моменту запуска. Правая часть экрана отображает сигнал с момента запуска.

Для того чтобы сохранить информацию до момента события запуска, необходимо непрерывно записывать информацию в память. Вся память циклически обновляется после считывания из нее информации

Рис.2.4. Изображение импульса на экране: а) при внутренней синхронизации, б) при внешней синхронизации (T – момент запуска, N – длина предзаписи, M – длина послезаписи с момента синхронизации)

12

Рис.2.5. Запись и чтение сигнала в память

Рис.2.6. Запись и чтение сигнала, когда половина памяти используется для предзаписи и половина – для послезаписи (N=M)

для отображения формы сигнала на экране. Во время считывания сигнала из памяти данные из АЦП не записываются (запись сигнала приостанавливается).

Процесс запоминания сигнала делится на два этапа: записи и чтения. Они регулируются двумя значениями счетчика записи: “Задержка записи” с объемом памяти N ячеек и “Длина послезаписи” с объемом памяти M ячеек. Пользователь в настройках устанавливает эти значения. Их сумма N+M не должна превышать объема памяти осциллографа. Объем памяти в исходной настройке может делится пополам: N=M. Тогда момент запуска синхронизации T будет находится в середине экрана.

13

Запись сигнала

После команды начала регистрации “Старт” начинается запись данных в память (рис.2.5). Количество выборок определяется счетчиком “Задержка запуска N”. После гарантированного сбора N данных предыстории модуль переходит в режим ожидания импульса синхронизации. Количество записанных выборок в режиме ожидания может быть разным, так как момент прихода импульса является случайным. После появления импульса синхронизации модуль запоминает выборки, число которых определяется счетчиком “Длина послезаписи M ”. После записи данных в M ячеек памяти формируется сигнал “STOP”, по которому запоминается адрес последней ячейки памяти. Таким образом, в процессе сбора данных происходит непрерывная запись в память, разделенная на несколько этапов.

Чтение сигнала

Чтение данных происходит сразу после окончания записи. Чтение начинается с адреса ячейки памяти, которая предшествует адресу последней записанной ячейки. По значению смещения адреса (N+M) рассчитывается абсолютный адрес начальной ячейки чтения данных: Address_READ=Address_STOP – (N+M). Таким образом, из памяти будет прочитано N ячеек, предшествующих моменту синхронизации T и M ячеек, в которых содержатся данные о сигнале после момента синхронизации. Если память разбита на две части, то чтение начинается сразу же после остановки записи (рис.2.6).

В аналоговых осциллографах нет возможности регистрировать сигнал до момента внутренней или внешней синхронизации. Синхроимпульс всегда запускает развертку луча на экране, поэтому информация о сигнале до момента синхронизации недоступна. В аналоговом осциллографе длительность развертки соответствует данным, записанным в M ячеек памяти (N=0). Основным отличием развертки в цифровых осциллографах от развертки в аналоговых является регистрация предыстории сигнала путем непрерывного обновления памяти. В табл.2.1 приведены метрологические характеристики осциллографических модулей.

14

				Таблица 2.1
		PCS500	B–421	АСК–3106
1	Торговая марка	Velleman	Bordo	Актаком
2	Количество каналов	2	2	2
3	Максимальная частота	50 Ms/s	100 Ms/s	100 Ms/s
	выборки
4	Полоса пропускания	10 МГц	10 МГц	10 МГц
5	Диапазон значений	5мВ/дел –	10 мВ/дел –	20 мВ/дел –
	коэффициента отклонения	15В/дел	1 В/дел	10 В/дел
6	Диапазон значений	20 нс/дел –	5нс/дел –	10нс/дел –
	коэффициента развертки	100 мс/дел	50мс/дел	100мс/дел
7	Объем памяти ОЗУ на	4 Кбайт	64 Кбайт	128 Кбайт
	один канал
8	Разрядность АЦП	8 бит	10 бит	8 бит
9	Входное	1 МОм/	1 МОм/	1 МОм/
	сопротивление/входная	30 пФ	20 пФ	20 пФ,
	емкость			50 Ом
10	Интерфейс связи	LPT	USB	USB, LPT

3. ГЕНЕРАТОРНЫЕ МОДУЛИ

Измерительный генераторный модуль вырабатывает сигналы различной формы: синусоидальные, прямоугольные, пилообразные, треугольные и сигналы произвольной формы. Сигналы произвольной формы задают различными методами: с помощью математических выражений, путем загрузки файла, в котором данные записаны в столбцы, или нарисовав курсором мышки форму сигнала на экране. Внешний вид и размеры модуля совпадают с осциллографическим модулем (рис.2.1). Он имеет два канала для вывода аналоговых сигналов и выход синхроимпульса для синхронной работы внешних устройств с генератором. Структурная схема модуля показана на рис.3.1. Он состоит из ЦАП, таймера, счетчика записи, ОЗУ и канала передачи для связи с персональным компьютером через USB– или LPT–порты. В ОЗУ модуля передается форма сигнала в дискретном виде из ОЗУ персонального компьютера. В каждую ячейку памяти записывается мгновенное значение напряжения в двоичном коде. При генерации сигнала таймер задает частоту выборки, с которой в ЦАП будут последовательно поступать данные из ОЗУ. Счетчик записи изменяет адрес ОЗУ с каждым тактовым импульсом таймера. ЦАП преобразует дискретные значения в аналоговый (непрерывный) сигнал. Переменный сигнал на выходе будет иметь

15

ступенчатый вид. При высокой частоте выборки зависимость u(t) является практически гладкой.

Рис.3.1. Структурная схема генераторного модуля

Получение сигнала на выходе генератора аналогично работе цифрового MP3– или CD–плеера. Отличие состоит в том, что в ОЗУ генератора записан заданный периодический сигнал вместо музыкального фрагмента. Аналоговыми выходами первого генератора могли бы быть правый и левый каналы плеера.

Получение сигнала на выходе модуля происходит в два этапа. На первом этапе выполняются настройки параметров сигнала в пользовательском интерфейсе программы. Например, для синусоидального напряжения (рис.3.2) задаются четыре характеристики:

1)форма сигнала,

2)частота повторения,

3)размах сигнала (от минимума до максимума),

4)объем буферной памяти ОЗУ, в которую будет записан сигнал. Форма сигнала выбирается из стандартного списка:

синусоида,

прямоугольный импульс,

пилообразное напряжение,

треугольная форма напряжения,

сигнал произвольной формы.

После того как заданы параметры сигнала, часть ОЗУ персонального компьютера заполняется данными. Сигнал в виде непрерывной функции записывается в виде дискретных выборок – значений сигнала через одинаковые промежутки времени (рис.3.3).

16

Рис.3.2. Панель настройки параметров сигналов

Рис.3.3. Запись цифрового массива данных в ОЗУ ПК для генерации сигнала

На втором этапе данные из ОЗУ персонального компьютера загружаются в ОЗУ модуля (рис.3.1). Генерация сигнала начинается с включением таймера. С каждым тактовым импульсом данные, записанные в ячейки ОЗУ, последовательно поступают в ЦАП, который преобразует цифровой формат данных в мгновенные значения сигнала. Для получения на выходе модуля непрерывного во времени сигнала необходима запись в память целого числа периодов сигнала и многократное считывание ЦАП всего объема ОЗУ (многократный повтор одного и того же фрагмента). Метрологические характеристики генераторных модулей приведены в табл.3.1.

17

				Таблица 3.1
		PCG10	B–332		АНР–3121
1	Торговая марка	Velleman	Bordo		Актаком
2	Количество	2	2		2
	каналов
3	Максимальная	32 МГц	100 МГц		80 МГц
	частота
	дискретизации
4	Максимальная	1 МГц	10 МГц		10 МГц
	частота сигнала
5	Разрядность ЦАП	8	14		10
6	Размах выходного	10 В	9,0 В		2,5 В
	напряжения
7	Объем памяти ОЗУ	–	128 Кбайт		128 Кбайт
	на один канал
8	Выходное	50 Ом	50 Ом		50 Ом
	сопротивление
9	Интерфейс связи	LPT	USB, LPT,		USB, LPT
			RS–232

4. ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ КОМПЛЕКС НА ОСНОВЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ МОДУЛЕЙ

На рис.4.1. представлена блок-схема измерительного комплекса, которая представляет собой измерительно-информационную систему, содержащую генератор и цифровой запоминающий двухканальный осциллограф компании “Актаком”, а также персональный компьютер, который используется как для обработки информации, так и для управления данными приборами.

Рис.4.1. Схема измерительного комплекса

18

Пользовательский интерфейс

Пользовательский интерфейс программы [4] состоит из набора рабочих панелей (окон). Каждая панель содержит набор управляющих элементов, при помощи которых можно влиять на работу программы, и индикаторов, отображающих рабочее состояние осциллографа. Большинство этих элементов являются частью стандартного интерфейса

Windows.

Все элементы пользовательского интерфейса, которые могут вызвать сомнения в своем назначении, снабжены короткими пояснениями, которые появляются в маленьком окошке, если подвести к этому элементу курсор мыши и оставить его там некоторое время неподвижным. Всплывающие подсказки могут быть включены или выключены с помощью панели настроек или командой “Всплывающие подсказки” меню “Настройки”. Для управления программой можно также использовать команды выпадающего меню главной панели.

Главная панель

Предназначение управляющих элементов и индикаторов будет проведено в сжатом формате, так как большая часть инструментальных кнопок встречается в других пакетах программ и операционных систем. Общий вид главной панели изображен на рис.4.2.

Рис.4.2. Общий вид главной панели и панели управления

19