Патрик Гёлль - Как превратить персональный компьютер в измерительный комплекс

При изготовлении этого модуля использована односторонняя печатная плата, чуть более длинная, чем предыдущие, но имеющая ту же ширину. Ее топологическая схема показана на рис. 4.14.

Рис. 4.14. Топологическая схема платы последовательного АЦП с оптронной развязкой

Можно заметить, что одна контактная площадка ИОН LT1009 CZ, предназначенная для включения схемы точной подстройки, никуда не подключена. Вероятно, такое же изменение понадобится внести в рисунок печатной платы, приведенный на рис. 4.3, если возникнет необходимость применить этот компонент вместо REF 25 Z. Это представляет определенный интерес для 10- и 12-разрядных версий АЦП.

Расположение элементов схемы на печатной плате показано на рис. 4.15 и 4.16.

Рис. 4.15. Монтажная схема последовательного АЦП с оптронной развязкой

Рис. 4.16. Внешний вид платы последовательного АЦП с оптронной развязкой

Подключение устройства к ПК производится таким же кабелем с разъемами DB9, какой использовался в предыдущих случаях.

Выбор того или иного коммерческого программного обеспечения (ПО) для виртуального измерительного комплекса определяется как конкретным типом аналогового интерфейса, имеющегося в наличии, так и особенностями измерений, которые необходимо проводить.

В целом программы, поставляемые с промышленными интерфейсами, являются лучшими, если говорить о возможной частоте дискретизации, и часто могут работать в таких сложных режимах как спектральный анализ сигналов. Их адаптация для некоторых задач иногда требует значительных усилий, так что в подобных случаях предпочтительнее написать несколько строк программы на языке ВАSIС, чтобы достичь желаемой цели.

В этой главе будут последовательно рассмотрены эти два разных, но взаимодополняющих способа практического воплощения концепции построения виртуального измерительного комплекса.

КОММЕРЧЕСКОЕ ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ

Рассмотрим вначале программное обеспечение, поставляемое в комплекте с АЦП ADC 10 и ADC 12.

Пакет PICOSCOPE

PICOSCOPE — это универсальное приложение, в котором при помощи меню можно в любой момент выбрать тип прибора, нужного пользователю:

• цифровой вольтметр постоянного или переменного тока (среднеквадратичный);

• цифровой частотомер;

• запоминающий осциллограф (от 1 мсек/дел до 5 сек/дел);

• низкочастотный анализатор спектра.

Версия пакета для DOS позволяет использовать одновременно только один виртуальный прибор или несколько мультиметров, тогда как версия для Windows допускает многооконность (рис. 5.1), хотя этот режим заметно замедляет работу всей системы.

Рис 5.1. Иллюстрация многооконного режима программы PICOSCOPE

Очень важно отметить, что при работе с сигналами переменного тока необходимо обеспечивать достаточную величину постоянного смешения входного сигнала. Без этого всякая отрицательная составляющая будет просто-напросто проигнорирована (диапазон измерений составляет от 0 до 5 В, и только новые модели ADC 40 и ADC 45 имеют входной диапазон ±5 В).

Подача переменного напряжения прямо на вход ADC 10 или ADC 12 не приводит к их выходу из строя (по крайней мере, до 30 В пикового значения или до 20 В эффективного). Но при этом показания среднеквадратичного вольтметра будут абсолютно неверными, осциллограмма окажется урезанной (однополупериодное выпрямление), а спектр будет искажен паразитными спектральными линиями (появятся четные гармоники).

Есть много вспомогательных способов (например, использование гальванической батарейки, включенной последовательно с входом), которые позволяют обрабатывать сигналы переменного тока с нулевой или малой постоянной составляющей, но более предпочтительно использовать хотя бы простое устройство нормирования сигналов (см. главу 6).

Хотя АЦП ADC 10 и ADC 12 можно подключить к любому IBM-совместимому ПК (желателен экран VGA, но достаточно и CGA), не рекомендуется использовать программу PICOSCOPE с процессорами ниже 386, в крайнем случае, 286. Вполне пригодны модели ПК типа 386SX25, но, естественно, более современные подойдут лучше.

В случае сбора данных о параметрах медленных процессов (снятие кривых заряда или разряда аккумуляторов, измерение температур и т. п.) можно быть уверенным, что даже старого процессора 8088 с тактовой частотой 4,77 МГц будет достаточно. Но для работы с ним надо использовать другую программу, например, PICOLOG или те программы, которые приводятся на сайте www.dmk.ru.

В целом желательно начать работу в режиме осциллографа, с выводом графики (рис. 5.2 и 5.3). Таким способом можно выявить все возможные ограничения сигнала или другие явления, способные повредить точности измерений каких-либо специфических величин.

Рис. 5.2. Экран виртуального осциллографа в режиме Windows

Рис. 5.3. Экран виртуального осциллографа

Как и при использовании любого другого осциллографа, следует помнить, что воспроизвести точную форму сигнала можно только тогда, когда верхняя частота его спектра гораздо меньше полосы пропускания измерительной цепи. Это значит, что в данном случае желательно ограничиться сигналами с частотой, не превышающей 2 кГц, чтобы избежать недоразумений.

Если зайти за разумные пределы, можно получить очень красивые кривые, но с ошибками в несколько порядков. Причиной тому — классическое явление, называемое наложением спектров. Оно проявляется в любой системе, в которой частота дискретизации меньше частоты обрабатываемого сигнала.

Через систему иерархических меню можно выбирать самые различные режимы работы, в основном соответствующие классическим режимам работы осциллографа: выбор режима синхронизации, выбор частоты развертки, усиления и смещения (в последнем случае желательно применять внешние электронные устройства). При этом есть возможность сохранить результаты измерения на диске либо распечатать осциллограммы или спектры на бумаге. Результаты могут быть также записаны в виде таблиц, экспортируемых в программы электронных таблиц, в текстовые редакторы или в графические пакеты.

Хотя анализатор спектра с полосой 2 кГц может вызвать улыбку у скептиков, анализатор, который входит в состав пакета PICOSCOPE, — совсем не игрушка, несмотря на его упрошенный алгоритм (для повышения быстродействия). Его точность легко оценить, проанализировав двухчастотные посылки DTMF, состоящие, как известно, из пар частот звукового диапазона и применяемые в телефонии для передачи цифр набираемого номера.

Понятно, что анализ сигналов с частотой 50 Гц не представляет проблем, а это открывает широкие возможности в изучении различных устройств, работающих от сети.

Вольтметр выполнен в виде цифрового табло, видимого с большого расстояния (например, с последней парты в классе). В версии DOS он снабжен также линейной шкалой. Это в некотором смысле аналог осциллографа с выключенной разверткой; постоянное напряжение отображается просто черточкой на экране, а переменная составляющая выглядит как полоса, ширина которой равна двойной амплитуде сигнала. Этого достаточно для анализа ограничений сигнала без осциллографических наблюдений.

Таким образом, в положении DC (постоянный ток) будет измерено среднее значение, а в положении АС (переменный ток) — среднеквадратичное (эффективное) значение напряжения, какова бы ни была форма входного сигнала. Подобных возможностей не могут предоставить многие обычные мультиметры.

Пакет PICOLOG

Регистратор на бумажной ленте (самописец) до сих пор широко применяется для визуализации медленных процессов с длительностью от нескольких секунд до нескольких часов, дней или даже месяцев. Но основной недостаток таких приборов состоит в их дороговизне (цена достигает нескольких тысяч долларов).

Пакет PICOLOG и один из аналого-цифровых преобразователей компании PICO Technology всего за несколько десятков долларов позволяют превратить любой ПК с принтером в виртуальный регистратор, способный выполнять не только функции обычного самописца, но и некоторые другие. Несомненно, это удачное решение, которое должно заинтересовать читателя.

Что касается медленных процессов, то пакет PICOSCOPE позволяет обеспечить максимальную длительность развертки 50 сек (5 сек/дел). Программа PICOLOG очень хорошо дополняет PICOSCOPE, имея частоты разверток от одного измерения в миллисекунду до одного измерения за N дней.