Измерительный комплекс на основе персонального компьютера и измерительных модулей: Лабораторная работа

В.Н. Пашенцев

Ю.Н. Струков

ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ КОМПЛЕКС НА ОСНОВЕ ПЕРСОНАЛЬНОГО КОМПЬЮТЕРА И ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ МОДУЛЕЙ Лабораторная работа

Москва

2009

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ МОСКОВСКИЙ ИНЖЕНЕРНО-ФИЗИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ (ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ)

В.Н. Пашенцев Ю.Н. Струков

ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ КОМПЛЕКС НА ОСНОВЕ ПЕРСОНАЛЬНОГО КОМПЬЮТЕРА И ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ МОДУЛЕЙ Лабораторная работа

Москва 2009

УДК 621.317.75(076.5) ББК 31.221.043–54я7 П22 Пашенцев В.Н., Струков Ю.Н. Измерительный комплекс на основе персонального компьютера и измерительных модулей: Лабораторная работа. –М.: МИФИ, 2009. – 48 с.

Приведена схема измерительной системы на основе персонального компьютера и устройств ввода/вывода аналоговых и цифровых сигналов в компьютер. В работе рассмотрены принципы работы и метрологические характеристики осциллографического и генераторного модулей, присоединяемых к компьютеру. Для проведения измерений дано описание пользовательского интерфейса и функциональных возможностей программного обеспечения. Лабораторная работа направлена на развитие практических навыков работы с измерительной системой и программным обеспечением для сбора, хранения и обработки данных. Работа по курсам “Основы метрологии и измерений”, “Основы метрологии, стандартизации и сертификации” и “Измерительные системы” предназначена для студентов 2–го и 3–го курсов факультетов “А”, “К”, “В”, аспирантов и инженеров физических специальностей. Рецензент

д–р физ.–мат. наук, проф.

Н.М. Гаврилов

Рекомендовано редсоветом к изданию в качестве учебного пособия

ISBN 978–5–7262–1099–5



Московский инженерно-физический институт (государственный университет), 2009

ОГЛАВЛЕНИЕ

I. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ ................................................................ 4 1. Измерительные системы......................................................................... 5 2. Осциллографические модули................................................................. 9 3. Генераторные модули ........................................................................... 15 4. Измерительный комплекс на основе измерительных модулей......... 18 5. Платы ввода/вывода данных ................................................................ 32 II. ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ............................................................... 42 1. Подготовка к лабораторной работе ..................................................... 42 2. Порядок выполнения работы ............................................................... 42 3. Оформление отчета ............................................................................... 44 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ .................................................................... 45

3

Цель: приобретение навыков работы с измерительной системой на основе персонального компьютера и внешних измерительных модулей для определения параметров сигналов и записи данных в персональный компьютер.

I. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ Широкие возможности информационных технологий, интенсивное развитие компьютерной техники и программного обеспечения привело к более широкому внедрению автоматизированных измерительных систем в управление технологическими процессами и научные исследования. У персонального компьютера (ПК) кроме традиционных функций отображения, хранения и обработки информации появились новые функции – измерения внешних сигналов и управления различными устройствами [1]. Персональный компьютер, с внешними измерительными модулями или встроенной платой сбора данных, становится измерительной системой, заменяющей такие приборы, как осциллограф, мультиметр, генератор, частотомер, анализатор спектра, логический анализатор. Персональный компьютер, управляя процессом измерений, может собирать, хранить и обрабатывать полученные данные по заданной программе. Другой частью измерительной системы являются модули, платы и цифровые измерительные приборы (мультиметры, осциллографы, генераторы), преобразующие аналоговые и цифровые сигналы от внешних устройств в цифровой формат данных для ввода их в компьютер. Такие модули выполняются на основе программируемых контроллеров или микропроцессоров. В зависимости от задачи измерений измерительные системы имеют различные функции. Самой простой функцией является сбор информации, более сложные измерительные системы обрабатывают данные и управляют внешними устройствами в реальном масштабе времени. Измерительные системы имеют ряд преимуществ по сравнению с цифровыми приборами (осциллографами, генераторами):  большой объем хранимой информации,  обработка данных программными средствами,  возможность сопряжения с другими измерительными системами,  передача данных на большие расстояния по сетям связи, 4

 управление внешними устройствами на основе результатов измерения сигналов от этих устройств,  возможность простого изменения функциональных возможностей измерительной системы путем замены измерительных модулей или плат. Если объект измерений находится на большом расстоянии от компьютера, и передача цифровых сигналов осуществляется радиосигналами через радиомодем, то такие системы называются телеметрическими. Основными недостатками измерительной системы являются большие габаритные размеры и стационарное положение. На практике используются мобильные измерительные системы, созданные на основе переносного Notebook. Они совмещает в себе все преимущества переносного цифрового прибора и стационарной измерительной системы. Измерительные системы собирают из отдельных функциональных модулей, выбор которых зависит от решаемой задачи. Такая система является гибкой и легко перестраиваемой, так как к ней легко добавить новые модули для расширения ее возможностей.

1. ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ Измерительная система – это совокупность функционально объединенных мер, измерительных приборов, измерительных преобразователей, персональных компьютеров и других технических средств, размещенных в разных точках контролируемого объекта с целью измерения одной или нескольких физических величин, свойственных этому объекту, и выработки сигналов в разных целях. По расположению измерительных модулей относительно ПК измерительные системы делятся на внутренние и внешние. По виду связей модулей с ПК измерительные системы классифицируются на сетевые (рис.1.1) и магистральные (рис.1.2). В измерительной системе, построенной по сетевой схеме, измерительные модули являются внешними по отношению ПК. Они подключаются к стандартным портам компьютеров: USB, COM, LPT. Данные передаются по линиям связи с использованием стандартных интерфейсов USB, RS–232, Centronics, Ethernet. В измерительной системе, построенной по магистральной схеме (рис.1.2), измерительные платы расширения установлены внутри системного блока компьютера. Они подключаются к магистральной (системной) шине ISA, PCI или PCMCIA.

5

Рис.1.1. Сетевая схема связи измерительных модулей с ПК (ОИ – объект исследования, ПК – персональный компьютер)

Рис.1.2. Магистральная схема связи измерительных модулей с ПК

Измерительный модуль может быть установлен не только в слоты системной платы внутри системного блока, но и на свободное место, предназначенное для установки CD–ROM или дисковода 3,5”. Такой встроенный модуль с входными разъемами на лицевой панели подключается к системной плате через USB–порт внутри системного блока. Структурная схема измерительной системы, присоединенной к объекту измерений, показана на рис.1.3.

Рис.1.3. Структурная схема измерительной системы

6

Объект измерений Объектами измерений являются любые устройства, от которых должны быть получены данные, или устройства, которыми будут управлять от персонального компьютера. В зависимости от сложности объекта измерений в его состав могут входить датчики с аналоговым или цифровым выходами, а также устройства управления с цифровым или аналоговым входами. Объект измерения может содержать следующие устройства: Д – датчики (первичные преобразователи) преобразуют физические величины в аналоговые электрические сигналы. К ним относятся датчики температуры, давления, магнитного поля и др; ЦД – цифровые датчики (датчики с цифровым выходом) – преобразователи физических величин в цифровые сигналы. Они представляют собой аналоговый датчик, совмещенный с цифровым преобразователем, на выходе которого формируется цифровой код измеряемой величины. Такие цифровые датчики могут быть самостоятельными устройствами, имеющими стандартный интерфейс RS– 232, Centronics или USB для прямого подключения к ПК; ЦР – цифровой регулятор с цифровым регистром на входе позволяет управлять объектом цифровым двоичным кодом. Например, если объект управления содержит шаговый двигатель, то направлением вращения и скоростью можно управлять программно от ПК путем изменения цифровых кодов на входе устройства управления двигателем; АР – аналоговый регулятор служит для управления объектом измерений аналоговыми сигналами. К управляемым устройствам относятся: двигатели, клапаны, электромагниты, нагревательные элементы. Их силовая часть питается от сети переменного тока, но ими управляют аналоговыми сигналами плат или модулей, соединенных с компьютером.

Структурная схема измерительной системы Измерительная система состоит из аналоговых и цифровых устройств. ВУ – входное устройство предназначено для первичного преобразования формы и амплитуды входных сигналов к заданному уровню, находящемуся в рабочем диапазоне АЦП. Входное устройство может содержать: аттенюаторы, усилители, компараторы (устройства сравнения), повторители напряжения, согласующие устройства, фильтры, преобразователи переменного напряжения в постоянное, коммутаторы, схемы выборки и хранения. 7

АЦП – аналого–цифровой преобразователь служит для преобразования непрерывных аналоговых сигналов в дискретные выборки, получаемые через одинаковые временные интервалы. ЦВ/В – цифровые устройства ввода/вывода служат для получения цифровых сигналов от объекта измерений и для управления объектами цифровыми кодами. Они содержат два цифровых регистра (8–12 бит) для ввода и вывода цифровых кодов. Таймер – вырабатывает периодические сигналы образцовой частоты, которые задают тактовую частоту работы цифровых устройств модуля. ЦУ – цифровые устройства для аппаратной обработки цифровых сигналов внутри измерительного модуля. К ним относятся умножители, быстрые преобразователи Фурье, цифровые фильтры. ЦАП – цифро–аналоговый преобразователь. Служит для преобразования цифровых кодов в аналоговый сигнал. На основе ЦАП можно создать измерительные генераторы сигналов различной формы: синусоидальной, пилообразной и импульсов прямоугольной формы. С другой стороны, аналоговым сигналом можно также управлять любым объектом измерений. ОЗУ – оперативно запоминающее устройство служит для записи данных, поступающих на входы измерительной системы. ОЗУ обычно является быстродействующим для работы в реальном масштабе времени. Быстродействие ОЗУ должно быть достаточным для записи сигналов с максимальной тактовой частотой выборки. Объем ОЗУ составляет от единиц до сотен килобайт. ПЗУ – постоянное запоминающее устройство служит для хранения информации, способствующей взаимодействию отдельных узлов измерительной системы. В ПЗУ записаны программы, обеспечивающие самодиагностику и функционирование отдельных узлов измерительной системы перед началом работы. МП – микропроцессор служит для управления узлами измерительного модуля. Вместо микропроцессора может использоваться программируемый контроллер, в ПЗУ которого записан алгоритм работы модуля. КП – канал передачи преобразует данные магистральной шины измерительного модуля к виду стандартного интерфейса персонального компьютера или к приборному интерфейсу КОП – канала общего пользования (другие названия интерфейса: IEEE–488, HP–488, GPIB). Канал передачи служит для подключения одного или нескольких измерительных приборов к персональному компьютеру. Для связи через измерительный интерфейс КОП в системном блоке ПК должна быть установлена плата расширения с входом КОП. Обычно измерительные 8

модули подключают непосредственно к компьютеру через стандартные входы: USB, RS–232, LPT, Ethernet. Если измерительный модуль выполнен не в виде отдельного блока, а в виде платы расширения, то его устанавливают в слоты ISA или PCI системной платы ПК. Канал передачи обеспечивает прямую передачу данных и сигналов управления через адресное пространство компьютера. Измерительная система может иметь различные по функциональным возможностям модули: осциллографический, генераторный, анализатор спектра и др.

2. ОСЦИЛЛОГРАФИЧЕСКИЕ МОДУЛИ Осциллографический модуль предназначен для отображения формы сигнала на мониторе компьютера и сохранения сигнала в памяти [2]. Модуль (рис.2.1) имеет два аналоговых входа (каналы А и В) и вход внешней синхронизации, совмещенный с выходом калибратора. Структурная схема модуля показана на рис.2.2.

Рис.2.1. Внешний вид передней и задней панели осциллографического модуля: 1 – вход канала A, 2 – вход канала B, 3 – вход синхронизации (выход калибратора), 4 – индикатор включения, 5 – клемма заземления, 6 – предохранитель, 7 – выключатель питания, 8 – разъём питания 6,5 В, 9 – разъём LPT–порта, 10 – разъём USB–порта

Рис.2.2. Структурная схема осциллографического модуля

9

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 1 2

Торговая марка Количество каналов

3

Максимальная частота выборки Полоса пропускания Диапазон значений коэффициента отклонения Диапазон значений коэффициента развертки Объем памяти ОЗУ на один канал Разрядность АЦП Входное сопротивление/входная емкость Интерфейс связи

4 5 6 7 8 9

10

PCS500 Velleman 2

B–421 Bordo 2

АСК–3106 Актаком 2

50 Ms/s

100 Ms/s

100 Ms/s

10 МГц 5мВ/дел – 15В/дел 20 нс/дел – 100 мс/дел 4 Кбайт

10 МГц 10 мВ/дел – 1 В/дел 5нс/дел – 50мс/дел 64 Кбайт

10 МГц 20 мВ/дел – 10 В/дел 10нс/дел – 100мс/дел 128 Кбайт

8 бит 1 МОм/ 30 пФ

10 бит 1 МОм/ 20 пФ

LPT

USB

8 бит 1 МОм/ 20 пФ, 50 Ом 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 1 2 3

4 5 6 7 8 9

Торговая марка Количество каналов Максимальная частота дискретизации Максимальная частота сигнала Разрядность ЦАП Размах выходного напряжения Объем памяти ОЗУ на один канал Выходное сопротивление Интерфейс связи

PCG10 Velleman 2

B–332 Bordo 2

АНР–3121 Актаком 2

32 МГц

100 МГц

80 МГц

1 МГц

10 МГц

10 МГц

8  10 В

14  9,0 В

10  2,5 В

–

128 Кбайт

128 Кбайт

50 Ом

50 Ом

50 Ом

LPT

USB, LPT, RS–232

USB, LPT

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

Кнопки управления на панели инструментов имеют следующие функции: – сохранить данные и настройки прибора в файл. Текстовый файл сохраняется в формате “CSV”. – сохранить изображение сигнала на графике в файл в растровом формате BMP или в векторных форматах WMF или EMF. – оставить текущие сигналы на графике для сравнения. – автоматический поиск сигнала. – кнопки переключения соответственно для панелей управления, измерений, цифровой фильтрации и настроек. – двухцветный светодиод статуса. Красный цвет показывает, что прибор находится в состоянии ожидания запуска, зеленый – идет регистрация данных. Панель управления Вид панели управления показан на рис.4.3. Ее можно разделить на три области:  канал А и канал В относятся к каналу вертикального отклонения осциллографа. Здесь регулируются коэффициенты отклонения и смещения сигналов по вертикали;  запуск относится к схеме синхронизации. Устанавливаются режимы запуска (уровень, нарастание/спад, источник сигнала запуска);  развертка устанавливает масштаб развертки во времени (время/деление). Рассмотрим более подробно элементы этой панели. Канал А (В) включает в себя регулятор коэффициента отклонения (В/дел). Метка включает/выключает изображение сигнала каждого канала. Цвет сигнала на экране можно изменять. Смещение – регулятор смещения линии развертки по вертикали. В окне с выпадающим списком отображается значение смещения линии развертки относительно линии развертки с нулевым напряжением на входе (вход заземлен). Смещение по вертикали можно изменять с большим шагом (грубо) или более плавно с помощью кнопки х10. Для корректного 20

отображения величины смещения необходимо предварительно провести процедуру калибровки смещений. Тип входа Y

имеет четыре состояния:

– открытый, – закрытый, – заземленный, – открытый, с входным сопротивлением 50 Ом.

Рис.4.3. Панель управления

Запуск развертки включает схему синхронизации осциллографа. Режим – режим запуска развертки. Существуют четыре режима запуска развертки: автоколебательный, ждущий, однократный и режим самописца. 21

“Авто” – регистрация измерений начинается вне зависимости от выполнения условия запуска, регистрация данных перезапускается после окончания сбора. Развертка сигнала происходит в автоматическом режиме независимо от того, есть ли сигнал на входе или его нет. В этом режиме всегда видна линия развертки. “Ждущий” – регистрация измерений начинается после срабатывания схемы синхронизации при определенном уровне сигнала, регистрация данных перезапускается после окончания сбора данных. Если условие запуска не выполнено, развертка сигнала на экране не отображается. “Однокр.” – одиночный запуск развертки. Аналогичный ждущему режиму, за исключением того, что регистрация данных не перезапускается после сбора. “Самописец” – регистрация измерений в режиме самописца, т.е. медленной развертки с большим временным шагом дискретизации. Уровень – регулятор уровня, при котором запускается развертка. Постоянный уровень запуска пересекает исследуемый сигнал при нарастающем или спадающем напряжении. Более точный выбор точки запуска выбирается из списка , который имеет два значения: “Восх.” по восходящему напряжению (по фронту положительного импульса, когда отображается фронт или полностью импульс) или “Спад.” – по спадающему напряжению (по срезу положительного импульса, когда отображается только срез импульса и то, что следует за ним). Источник – переключатель сигнала, который будет поступать на схему синхронизации для запуска развертки. Существует внутренняя синхронизация от канала А или В и внешняя E (External). “А” – запуск (синхронизация) от канала А, “В” – запуск (синхронизация) от канала В, “E” – запуск от внешнего сигнала, поступающего на вход внешней синхронизации. Сигнал внешнего запуска можно подключать к внешнему входу “ВНЕШНИЙ ЗАПУСК” только при включённой кнопке “Е”. Развертка – регулятор коэффициента развертки плавно или путем выбора значения из списка. – индикатор использования стробоскопического режима. – кнопка включения/выключения калибратора. Панель измерений Панель измерений показана на рис.4.4. На ней отображаются коэффициенты отклонения, развертки и координаты курсоров. 22

– переключатель единиц измерения промежутков между курсорами по горизонтальной шкале. Промежуток между курсорами отображается как временной интервал или отображается эквивалентная частота в Гц. Масштаб: X – коэффициент развертки по горизонтали (Кр). Коэффициенты отклонения по вертикали (Ко): YA – коэффициент отклонения по вертикали для канала A; YB – коэффициент отклонения по вертикали для канала B;

Рис.4.4. Панель измерений

Курсоры (рис.4.5): dX – разность между курсорами по оси X, dYA – разность между курсорами по оси Y для канала A, dYB – разность между курсорами по оси Y для канала B, X1 – положение 1 курсора по оси X, YA1 – положение 1 курсора по оси Y для канала A, YB1 – положение 1 курсора по оси Y для канала B, X2 – положение 1 курсора по оси X, 23

YA2 – положение 1 курсора по оси Y для канала A, YB2 – положение 1 курсора по оси Y для канала B.

Рис.4.5. Осциллограммы, поясняющие курсорные измерения

Панель цифровой фильтрации Панель цифровой фильтрации (рис.4.6) служит для исключения высокочастотных и случайных помех и наводок, которые могут суммироваться с полезным сигналом. Эти наводки могут возникать на измерительных кабелях и проводах при подключении осциллографа к измерительной цепи. Исключение высокочастотных наводок (рис.4.7) происходит путем усреднения напряжения в каждой точке сигнала при десятикратном сборе данных. Т.е. данные 10 разверток усредняются по каждой точке выборки, а потом выводятся на экран. Так как высокочастотное напряжение наводки имеет случайный характер в каждой точке выборки, то сумма мгновенных положительных и отрицательных напряжений, зарегистрированных в случайных фазах высокочастотного сигнала помехи, будет равна нулю.

Рис.4.6. Панель цифровой фильтрации

24

Рис.4.7. Осциллограммы прямоугольного импульса с высокочастотной помехой без включения накопительного фильтра и с включенным накопительным фильтром порядка 10

Накопительный фильтр – “вкл./выкл.” накопительный фильтр для обоих каналов. Для каждой точки времени отображается среднее за указанное количество сборов значение сигнала. Количество точек для усреднения задается в диапазоне от 0 до 50. Полиномиальный фильтр – используется быстрый алгоритм многопроходного биноминального сглаживания. Панель настроек На рис.4.8 показана панель настроек. EPP–интерфейс / USB–интерфейс – переключатель интерфейса между прибором и компьютером. Адрес прибора – задает индивидуальный адрес осциллографа (от 0 до 31, определяется перемычками на плате внутри модуля). EPP адрес – адрес используемого параллельного порта (шестнадцатеричное число, обычно 0х378).

Рис.4.8. Панель настроек

25

Задержка запуска – время предыстории сигнала, в течение которого отображается форма сигнала до момента запуска синхронизации. Определяет количество выборок, собираемых прибором перед переходом в режим ожидания события запуска. Допустимые значения: от 0 до 131071 (128 Кбайт). Отображаемый интервал времени в секундах зависит от установленной развертки и является результатом умножения числа выборок на шаг дискретизации. Например, изображение прямоугольного импульса на экране монитора будет точно таким же, как и изображение этого же импульса на экране аналогового осциллографа при внешней синхронизации, при которой синхроимпульс опережает основной прямоугольный импульс на то же самое время, как и время предыстории. Таким образом, время предыстории (задержки запуска) аналогично времени запаздывания прямоугольного импульса относительно синхроимпульса. В цифровом осциллографе предыстория импульса отображается за счет непрерывного запоминания сигнала в памяти, а в аналоговом осциллографе – в результате более ранней развертки от опережающего синхроимпульса. Длина послезаписи – время развертки послезаписи (время сбора данных после запуска синхронизации). Определяет количество выборок, собираемых прибором после возникновения события запуска. Допустимые значения от 0 до 131071 выборок. Отображаемый интервал времени в секундах зависит от установленной развертки и является результатом умножения числа выборок длины послезаписи на шаг дискретизации. Сумма значений задержки запуска и длины послезаписи (в выборках) дают общий размер буфера данных, который будет прочитан программой из прибора по окончании цикла измерений. При этом общий размер буфера данных не может превышать 131072 выборок на канал. Если выбрать задержку записи и длину послезаписи такими, что их сумма превысит указанный предел, самые ранние данные будут перезаписаны и таким образом потеряны. Для записи сигнала можно использовать часть памяти из 128 Кбайт. Растяжка – величина растяжки основного графика осциллографа. Так как невозможно отобразить на экране монитора весь объем памяти с записанным сигналом (128 Кбайт выборок), то на экран выводится часть сигнала (1000 выборок, растяжка 1:1). Число выводимых на экран точек можно регулировать от 10000 до 100, изменяя коэффициент растяжки от 10:1 до 1:10. При изменении растяжки изменяется объем информации, выводимой на экран, масштаб графика и значения разверток. Параметры развертки при различных значениях растяжки даны в табл.4.1.

26

Таблица 4.1 Коэффициент растяжки 10 : 1 5:1 1:1 1:2 1:5 1 : 10

Значение растяжки 10000 выборок 5000 выборок 1000 выборок 500 выборок 200 выборок 100 выборок

Масштаб 1000 точек/дел. 500 точек/дел. 100 точек/дел. 50 точек/дел. 20 точек/дел. 10 точек/дел.

Коэффициент развертки 100 нс/дел. 50 нс/дел. 10 нс/дел. 5 нс/дел. 2 нс/дел. 1 нс/дел.

Панель самописца

Рис.4.9. Панель самописца

В нижней части окна самописца (рис.4.9) показаны кнопки “лентопротяжного” типа для прокрутки записанного сигнала. Окно обзорного графика изображено над кнопками управления. Это окно не масштабируется и всегда отображает 10000 выборок. На основном графике самописка, находящимся выше обзорного графика, показан фрагмент записанного сигнала объемом 1000 выборок. Вертикальными пунктирными линиями отображаются два курсора (метки времени), служащие для измерения временных интервалов. Структура выпадающих меню главной панели (рис.4.2) дает наиболее полные возможности для управления программой. Остановимся на наиболее важных командах меню.

27

Меню “Файл”

Рис.4.10. Меню “Файл”

Чтение (запись) данных из файла … – вызов диалогового окна для сохранения (загрузки) файла данных и настроек осциллографа (рис.4.10). Сохранить изображение в файл… – сохранить изображение сигнала на графике в файл в форматах BMP, WMF, EMF. Записать (прочитать) конфигурацию – позволяет сохранить (загрузить) файл настроек прибора. Меню “Настройки” Щуп A (B) – выбор типа используемого щупа со встроенным делителем 1:1, 1:10 или 1:100 для канала A (B) (рис.4.11). Если на корпусе щупа измерительного кабеля включен делитель 1:10 или 1:100, то коэффициент отклонения осциллографа автоматически умножается на 10 или 100, чтобы новый коэффициент отклонения учитывал внешний делитель измерительной цепи щуп + осциллограф. При этом пользователю не требуется каждый раз умножать измеренные значения на 10 или 100, чтобы учесть коэффициент деления щупа измерительного кабеля.

Рис.4.11. Меню “Настройки”

28

Аналоговый фильтр запуска – включить/выключить фильтр нижних частот, ограничивающий сверху частоту запускающих сигналов уровнем 3,5 МГц. Автоматическая настройка на сигнал – по этой команде происходит автоматическая синхронизация и масштабирование сигнала для получения устойчивого изображения на экране монитора. Калибровка смещений – ручной вызов процедуры калибровки смещений нулевой линии. Меню “Вид”

Рис.4.12. Меню “Вид”

Отображаемые каналы – включить/выключить отображение каналов А (В) на экране (рис.4.12). Инверсия каналов – включить/выключить вертикальную инверсию (умножение на –1) по каждому из каналов. Сетка – включить/выключить отображение сетки на экране. Фигура X–Y – включить/выключить отображение зависимости Y(X) вместо Y(t). Бесконечная персистенция – новые осциллограммы выводятся поверх предыдущих. Старые осциллограммы не удаляются с экрана. Удерживать сигналы – оставить текущие сигналы на экране для сравнения. Пока эта опция остается отмеченной, на основном графике сохраняются размытые изображения сигналов на момент нажатия. Новые изображения появляются поверх старых изображений. Стиль прорисовки осциллограмм – выбор режима изображения осциллограмм. “Только точки” – каждая снятая выборка изображается отдельной точкой на графике. “Ломаная линия” – точки выборок соединяются прямыми отрезками. 29

“Сглаженная линия” – точки выборок соединяются линией с использованием сплайн-интерполяции. Меню “Панели”

Рис. 4.13. Меню “Панели”

Содержит список основных рабочих панелей (рис.4.13): главной, управления, измерений, цифровой фильтрации, настроек и самописца.

Запись данных в файл и обработка файлов внешними редакторами Для записи файлов используется универсальный текстовый формат CSV (Comma Separated Values), который может быть в дальнейшем открыт как самой программой осциллографа, так и любым текстовым редактором или электронной таблицей (Excel). В начале файла построчно записываются комментарий пользователя и настройки осциллографа, занимающие 8 строк. Начиная с 9 строки записываются данные каналов А и В. Если используется вся память осциллографа, то таких строк будет около 131 тысячи, равное объему памяти. Записываемые данные имеют следующую структуру: 1–я строка: <пользовательский комментарий> 2–я строка: <код горизонтальной развертки> 3–я строка: <код входного диапазона канала A>,<коэффициент щупа канала A> 4–я строка: <код входного диапазона канала B>,<коэффициент щупа канала B> 5–я строка: <код грубого смещения канала A>,<код тонкого смещения канала A> 6–я строка: <код грубого смещения канала B>,<код тонкого смещения канала B> 7–я строка: <задержка запуска>,<положение запуска> 30

8–я строка: <длина послезаписи> 9–я строка: <код канала A>,<код канала B> 10–я строка: <код канала A>,<код канала B> 11–я строка: <код канала A>,<код канала B> и т.д. Изображение сигналов на экране монитора можно сохранить в виде фотографии экрана осциллографа с помощью графических файлов в формате BMP (Windows bitmap) или в векторных форматах WMF или EMF (Windows metafile). Однако в этом случае не сохраняются настройки прибора. Другим методом является запоминание в буфере обмена изображения всего экрана монитора с помощью клавиш . Записанный файл можно программно обработать по определенному алгоритму. В начале специальная программа открывает файл с данными и построчно считывает данные из файла в массив, затем обрабатывает данные по заданному алгоритму и выводит результат на экран или сохраняет его в другом файле. Для обработки данных можно также использовать табличный редактор Excel, импортировав данные из файла на “Лист1”. Далее можно отобразить осциллограммы в виде графика или обработать данные с помощью программы VBA (Visual Basic for Application). На импорт данных в файл Excel накладывается ограничение на число вводимых строк, которое не должно превышать 64 Кбайт/лист.

Техника работы с осциллографом 1. Запустить программу АСК-3106. На экране появится главная панель программы. 2. Для того чтобы наблюдать сигналы, необходимо:  подключить осциллографические щупы к тестируемому устройству,  на главной панели нажать кнопку автонастройки на сигнал, либо на панели управления,  выбрать каналы для наблюдения сигнала, установив галочку в окне “Канал А” и/или “Канал В”,  выбрать вид связи с источником сигнала: “DC”, “AC” или “50 Ом” на панели управления,  установить желаемый источник запуска синхронизации в окне “Источник” на панели управления,  выбрать режим запуска “Авто” или “Ждущий” в окне “Режим” на панели управления,

31

 установить нарастающий (+) для положительных импульсов или спадающий фронт (–) сигнала для импульсов отрицательной полярности на панели управления,  установить требуемые значения коэффициентов отклонения и развертки. После этого на экране главной панели будут отображаться входные сигналы, а в окнах панели управления – основные настройки осциллографа: коэффициенты отклонения и развертки, вид синхронизации и др.

5. ПЛАТЫ ВВОДА/ВЫВОДА ДАННЫХ Кроме измерительных систем, выполненных в модульном исполнении, используются также измерительные системы, созданные на основе плат ввода/вывода, устанавливаемых внутри компьютера. Плата ввода/вывода служит для ввода аналоговой и цифровой информации об объекте исследования в персональный компьютер и вывода из компьютера сигналов для управления различными объектами по заданной программе [5–7]. На аналоговый вход платы могут поступать электрические сигналы от датчиков температуры, давления, тока, магнитного поля, датчиков положения и другие для их преобразования в цифровой формат данных компьютера, запоминания и дальнейшей программной обработки. Прием информации от объекта, анализ ее с помощью программных средств, выработка решения и передача сигналов управления обратно к объекту позволяет управлять автоматизированными системами в режиме реального времени. Для присоединения плат ввода/вывода к персональному компьютеру применяются стандартные интерфейсы ISA (Industrial Standard Architecture) или PCI (Peripheral Component Interconnect). Структурная схема платы ввода/вывода показана на рис.5.1. В ее состав входят следующие узлы: многоканальный коммутатор аналоговых сигналов, усилитель с программируемым коэффициентом усиления, таймер, АЦП, ЦАП, блок цифрового ввода, блок цифрового вывода и устройство сопряжения с компьютером. Управление всеми устройствами и передача данных осуществляется по внутренним шинам платы: шинам управления, адреса, данных. Устройство сопряжения служит для согласованного обмена данными между внутренней шиной платы и шиной PCI или ISA, расположенной на системной плате персонального компьютера.

32

Рис.5.1. Структурная схема платы сбора данных и управления внешними устройствами

Коммутатор имеет 4, 8, 16 входов, которые могут быть включены дифференциально. При дифференциальном включении число входов будет соответственно 2, 4, 8. Коммутатор служит для поочередного подключения входных сигналов к усилителю. Для того чтобы зафиксировать мгновенное значение напряжения одновременно по всем каналам, внутри коммутатора установлена схема выборки-хранения. Для этих целей обычно используются конденсаторы с малым током утечки. Коммутатор последовательно или выборочно опрашивает все каналы системы выборки-хранения, на которых зафиксированы напряжения в один и тот же момент времени. Ток разряда конденсаторов пренебрежимо мал, поэтому за время опроса всех каналов напряжение на конденсаторах остается неизменным. Усилитель служит для приведения напряжения к рабочему диапазону АЦП. Он имеет программно устанавливаемые коэффициенты усиления, кратные значениям 2, 5, 10. Усилитель имеет большое входное сопротивление, чтобы оказывать минимальное влияние на измерительную цепь при подключении к ней аналоговых входов платы. На выходе усилителя может быть установлен фильтр, ограничивающий полосу пропускания ниже максимальной частоты дискретизации АЦП. АЦП служит для преобразования мгновенных значений сигнала в цифровой код. Мгновенные значения сигнала считываются через одинаковый интервал времени – шаг дискретизации. Рабочий диапазон 33

АЦП обычно составляет ±1 В, ±2 В, ±5 В. Для приведения напряжения к этому уровню на входе АЦП устанавливают делитель или усилитель с программируемым коэффициентом усиления. Входной усилитель можно не использовать, если применять относительно многоразрядный АЦП (12–15 бит), имеющий небольшой шаг квантования при рабочем диапазоне в единицы вольт. Например, для АЦП 12 бит при рабочем диапазоне ±1 В шаг квантования будет составлять 2В/4096 = 0,5 мВ. Поэтому погрешность измерения напряжения в диапазоне 10 – 100 мВ будет составлять 0,5 – 5 %. С выхода АЦП цифровой код поступает в ОЗУ или сразу на шину данных платы. Запуск АЦП происходит программно путем обращения по адресу АЦП или по сигналам таймера. Таймер – программируемый генератор тактовых импульсов, служащий для запуска АЦП и других устройств платы. Интервал времени между запусками АЦП (период импульсов таймера) должен быть больше времени преобразования АЦП. Таймер осуществляет аппаратный запуск АЦП вне зависимости от тактовых импульсов шины системной платы ПК. После каждого преобразования АЦП формируется импульс готовности, который может фиксироваться программой, работающей в режиме ожидания. Импульс готовности используется в качестве сигнала прерывания на системной плате ПК. При этом обеспечивается максимальное быстродействие платы, так как прием данных в ПК происходит во время, когда АЦП уже запущен на новый цикл преобразования. Программный запуск осуществляется путем программирования таймера на формирование тактовых импульсов запуска. Частота таймера регулируется путем записи цифрового кода в регистр управления таймера. Таймер имеет три канала, два из которых управляют работой АЦП, а третий доступен аппаратно и программно. Его можно использовать для счета внешних импульсов, поступающих на вход таймера, измерения их частоты и генерирования прямоугольных импульсов с амплитудой ТТЛ уровня. Цифровой ввод/вывод параллельного типа служит для приема цифровых сигналов от внешних устройств и для управления внешними устройствами цифровыми кодами, формируемыми компьютером. Обмен данными с внешними цифровыми устройствами осуществляется путем чтения байта из буфера ввода и записи байта в буфер вывода. Цифровой выход имеет повышенную нагрузочную способность для подключения внешних устройств. Цифровой ввод/вывод может иметь на плате гальваническую развязку для защиты компьютера от нежелательных наводок и помех, связанных с работой внешних устройств.

34

ЦАП преобразует цифровые коды, формируемые программой управления, в аналоговый непрерывный сигнал. Из-за того, что напряжение на выходе ЦАП в промежутке между выборками остается неизменным, кривая сигнала во времени представляет собой многоступенчатую функцию, повторяющую форму сигнала, заданного в аналитическом виде. Чем выше разрядность ЦАП, тем ближе приближение сигнала ступенчатой формы к относительно гладкой кривой. Уменьшение шага квантования (увеличение разрядности ЦАП) ниже уровня шумов и наводок не целесообразно. ОЗУ служит для промежуточного накопления данных из АЦП, если требуется, чтобы частота дискретизации сигнала была выше тактовой частоты на системной плате ПК. Объем ОЗУ составляет 4–132 Кбайт. Так как для передачи одного байта требуется несколько тактов на системной шине ПК, то максимальная частота дискретизации платы в несколько раз меньше рабочей частоты системной платы. Предельная частота дискретизации платы составляет единицы мегагерц. Интерфейсное устройство – согласующее устройство (устройство сопряжения) между внутренней шиной платы и системной магистралью ISA или PCI персонального компьютера. В его состав входят буферные цифровые регистры, дешифратор адреса и формирователь сигналов прерываний (IRQ) для прямого доступа к памяти (DMA). Буферные регистры предназначены для электрического согласования двух магистралей: электрической развязки и передачи сигналов в определенном направлении. Дешифратор адреса служит для распознавания платой адресов своих модулей среди множества адресов устройств системного блока компьютера. Платы ввода-вывода используются для управления технологическими процессами и для измерений. По сравнению с внешними модулями они имеют ряд преимуществ: малые габаритные размеры, широкие функциональные возможности ввода/вывода аналоговых и цифровых сигналов, возможность программного управления платой, универсальность – быстрый переход на другую задачу управления или измерений путем изменения программного обеспечения. В табл.5.1 приведены метрологические характеристики плат ввода/вывода.

35

Таблица 5.1

1

Торговая марка

Сигнал

Сигнал

Bordo

2

Назначение

Аналоговые входы Количество аналоговых каналов Максимальная частота выборки (дискретизации) Полоса пропускания Разрядность АЦП Диапазоны напряжений АЦП Объем памяти ОЗУ на канал Цифровой ввод/вывод Разрядность цифрового ввода Разрядность цифрового вывода Аналоговые выходы Количество аналоговых каналов Разрядность ЦАП Диапазоны напряжений ЦАП Входное сопротивление/ входная емкость Интерфейс связи

Управление, измерения +

Осциллограф

3

Управление, измерения +

ЛА– БПн2– 8PCI РудневШиляев Осциллограф

+

+

16

32

2

2

200 ks/s

200 ks/s

100 Ms/s

500 Ms/s

30 кГц

30 кГц

20 МГц

100 МГц

10 бит 5В

16 бит  35 В

10 бит 4В

8 бит 5В

– +

1 Кбайт +

64 Кбайт –

128 Кбайт –

8

16

8

16

–

+

–

–

4 5

6

7

8

НВЛ 03.1

PC– 1602

Bordo– 220

ISA

ГСП– 051 Руднев– Шиляев Генератор

–

256 Кбайт –

+

2

1

12 бит  10 В

14 бит  10 В

10 МОм/ 6 пФ PCI

36

1 МОм/ 30 пФ

1 МОм/ 17 пФ

50 Ом

PCI

PCI

ISA

Для ввода данных в персональный компьютер можно использовать стандартные порты LPT, RS–232, USB, Ethernet [7], а также звуковую карту. Для ввода/вывода цифровых данных через LPT–порт достаточно установить на отдельной плате несколько буферных логических микросхем для защиты LPT–порта и написать программу для считывания и записи данных в порт принтера с базовым адресом Н378. Для применения звуковой карты [8] в качестве измерительного прибора не требуется специальных внешних устройств. Звуковая карта вместе со специальным программным обеспечением может работать как двухканальный осциллограф (программы: “Digital Oscilloscope 3.0”, “Oscilloscope 2.51”, “Winscope”, “Spectra Plus”), генератор сигналов (“Sine Wave Generator 3.0”), частотомер (“Frequency Counter 1.01”) и анализатор спектра (“Oscilloscope 2.51”). Эти программы и многие другие можно найти в Интернете. Осциллограф, выполненный на основе звуковой карты, будет иметь следующие параметры: частота дискретизации 44,1 кГц, полоса пропускания 50 Гц – 20 кГц, разрядность АЦП 16 бит, входное напряжение на линейных входах 0,5 В, вход закрытый (на входе платы включен разделительный конденсатор для ее защиты от постоянного напряжения).

Программирование платы ввода/вывода Плата занимает часть адресного пространства ввода/вывода ПК. В адресном пространстве персонального компьютера имеются стандартные свободные адреса ввода/вывода для подключения различных плат: H300, H220, H200, записанные в шестнадцатеричной системе кодирования. На плате установлены перемычки или микропереключатели, с помощью которых можно выбрать один из этих адресов. Этот адрес называется базовым. Каждый блок платы имеет свой адрес в диапазоне от H1 до H20, называемый смещением относительно базового адреса. Например, если адрес цифрового порта ввода равен H10 и на плате установлен базовый адрес H300, то в программе информация считывается из порта с адресом H310. Программирование платы состоит в записи и считывании данных через цифровые порты, а также управления запуском АЦП и ЦАП путем адресного обращения к этим модулям. Считывание кода из порта ввода данных осуществляется командой Visual Basic: RES =Inp(H310). В результате выполнения этой команды в переменную RES будет записано десятичное число от 0 до 255, соответствующее двоичному коду на восьми входных контактах разъема порта ввода. Если на двух младших битах будет напряжение логической единицы (+ 5 В), а на остальных

37

будет логический нуль (0,0,0,0,0,0,5,5 В), то в переменную RES будет записана цифра 3, соответствующая двоичному коду (00000011). Для порта вывода с таким же адресом H310 (H300 + H10) команда вывода числового значения N в двоичном коде осуществляется командой Out (H310, N). В результате выполнения команды уже на других 8 контактах выходного разъема появится двоичный код числа N. Если подана команда Out (H310, 2), то второй бит восьмиразрядного кода будет равен 1 (00000010). Это означает, что на втором контакте разъема будет напряжение 5 В, а на остальных 0 В. Записанный в порт вывода код хранится до тех пор, пока в него не будет записано другое число. Поэтому для очистки порта перед выполнением программы используется команда Out (H310, 0). Обычно данные считываются с постоянной частотой дискретизации через одинаковые интервалы времени. Временной интервал устанавливается с помощью команды delay N, задавая временной интервал N в микросекундах или программируя внутренний таймер платы. Небольшую задержку, зависящую от производительности процессора, можно выполнить в виде пустого цикла For i=1 To 300 Next i. Для медленного обращения к плате через 1 с можно использовать запуск от таймера компьютера путем считывании текущего времени командой Timer. Кроме того, шаг дискретизации можно задавать, используя объект Timer и его свойства, например, при создании интерфейсной формы пользователя в среде Visual Basic [9,10].

Тестирование цифровой микросхемы с помощью платы ввода/вывода Программирования платы ввода/вывода приведем на примере проверки работоспособности цифровой логической микросхемы. Для проверки таблицы истинности микросхемы 2И–НЕ используется программирование цифровых портов ввода и вывода. В табл.5.2 приведена таблица истинности микросхемы 2И–НЕ. Схема подключения микросхемы к плате ввода/вывода показана на рис.5.2.

38

Таблица 5.2 Байт 0 1 2 3

Входы 0 0 0 1 1 0 1 1

Выход 1 1 1 0

Рис.5.2. Схема соединения цифровых портов ввода и вывода с логическим элементом 2И–НЕ цифровой микросхемы

Пользовательский интерфейс управления программой и ее алгоритм работы показаны на рис.5.3 и рис.5.4 соответственно.

Рис.5.3. Пользовательский интерфейс управления программой тестирования микросхемы

Краткое описание алгоритма программы имеет следующий вид: 1. Загрузка в память таблицы истинности. 2. “Перебор” всех двоичных кодов на входе логической микросхемы от 00 до 11 через порт вывода. 3. Формирование задержки выполнения программы на время срабатывания микросхемы. 4. Считывание выходного кода микросхемы (0 или 1) через порт ввода. 39

5. Сравнение двух таблиц: таблицы истинности и реальной таблицы. 6. Отображение результатов тестирования на экране монитора.

Рис.5.4. Алгоритм программы тестирования таблицы истинности цифровой микросхемы

Для записи текста программы управления портами ввода и вывода используется Visual Basic 6.0. Sub Test_Is_Click() ‘1. Объявление переменных. Dim A(10,2) As Integer Dim i As Integer Dim Err_Is As Boolean ‘2. Заполнение массива таблицы истинности. A(i,1) – входной код, A(i,2) – выходной код i 0 1 2 3

A(i,1) 0 1 2 3

Код 00 01 10 11

40

A(i,2) 1 1 1 0

For i=0 To 3 A(i,1)=i A(i,2)=1 Next i A(3,2)=0 Err_Is=False Out (H310, 0)

‘Очистка переменной для фиксирование ошибки. ‘Очистка порта вывода. '3. Тестирование интегральной схемы

For i=0 To 3 Out (H310, A(i,1)) 'Запись в порт чисел 0, 1, 2, 3. For j=0 To 500 ‘Задержка для срабатывания ИС. Next j Res= Inp(H310) ‘Считывание из порта (0 или 1). If Res<> A(i,2) Then Err_Is=True ‘Сравнение с таблицей истинности Регистрация ошибки в переменной Err_Is. Next i ‘4. Сообщение об ошибке в окне Text1.Text интерфейсной формы. If Err_Is=True Then Text1.Text=”Микросхема неисправна” Else Text1.Text=”Микросхема исправна” End If End Sub В пользовательский интерфейс можно добавить переключатели для выбора типа интегральной микросхемы. Тогда для различных типов логических интегральных микросхем будут загружаться различные таблицы истинности.

41

II. ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ 1. ПОДГОТОВКА К ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЕ 1. Ознакомиться с модулями виртуального комплекса и программным обеспечением. 2. Оценить полосу пропускания осциллографического модуля при частоте выборок 100 МГц.

2. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ 1. Собрать RC–цепь (рис.Л1) со следующими параметрами элементов R=1,8 КОм, C=10 нФ.

Рис.Л1. Схема измерения параметров прямоугольного импульса

2. Включить ПК и запустить программы “Осциллограф” и “Генератор”. В развернутом окне “Генератор” установить: форму сигнала – прямоугольный импульс, размах (амплитуда) 4 В, длительность импульса 20 мкс, частота повторения 10 кГц. Установить на осциллографе параметры коэффициентов отклонения и развертки для полномасштабного отображения этого импульса на экране монитора. Сохранить изображения прямоугольного импульса в файле при закрытом и открытом входе осциллографа, рассчитать значение постоянной составляющей. 42

3. Исследовать влияние постоянной времени RC–цепи на форму выходного импульса при длительности в 10 раз отличающейся или равной постоянной времени. Сохранить в файлах и зарисовать осциллограммы напряжения на резисторе для трех импульсов длительностью: 20 мкс, 200 мкс, 2 мкс. Подобрать на генераторе длительность импульса равную постоянной времени, при которой амплитуда на срезе импульса падает в е раз. 4. Исследовать амплитудно-частотную характеристику (АЧХ) RC –цепи. Изменить форму сигнала на синусоидальную. Рассчитать и установить размах напряжения при среднеквадратическом значении синусоидального напряжения 1 В. Результаты измерений размаха напряжения от частоты занести в табл.Л1. Определить частоту среза RC–фильтра, при котором спад АЧХ равен 30 % (3 дБ). Таблица Л1 f, кГц

60

40

20

10

5

2 UM, В

5. Измерить вольт–амперную характеристику (ВАХ) стабилитрона. Собрать схему, показанную на рис.Л2 (R=100 Ом). Установить на выходе генератора напряжение со среднеквадратическим значением 5 В и частотой 1 кГц. Получить на первом канале осциллографа входной сигнал, на втором – сигнал тока на резисторе. Включить режим развертки YX. Выбрать коэффициенты отклонения каналов осциллографа, чтобы изображение ВАХ стабилитрона имело максимальный размер. Отключить стабилитрон на коммутационной панели и совместить середину отрезка линии развертки с вертикальной осью. Сохранить в файле и зарисовать ВАХ стабилитрона. Указать масштаб оси X в единицах В/дел и оси Y в единицах мА/дел.

43

Рис.Л2. Схема измерения ВАХ стабилитрона

3. ОФОРМЛЕНИЕ ОТЧЕТА Отчет должен содержать:  подготовку к лабораторной работе,  результаты расчета теоретического и экспериментального значений постоянной составляющей,  измеренное значение постоянной времени RC–цепи,  АЧХ, построенную по данным таблицы, и значение частоты среза RC–фильтра,  ВАХ стабилитрона, построенную в масштабе В/дел и мА/дел.

44

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Атамалян Э.Г. Приборы и методы измерения электрических величин. –М.: Высшая школа, 2005. 2. Атамалян Э.Г., Пашенцев В.Н. Лабораторная работа “Применение двухканальных и стробоскопических осциллографов в технике измерений”. –М.: МИФИ, 1998. 3. Атамалян Э.Г., Пашенцев В.Н. Лабораторная работа “Аналоговые и цифровые запоминающие осциллографы”. –М.: МИФИ, 2001. 4. Афонский А.А., Дьяконов В.П. Измерительные приборы и массовые электронные измерения. –М.: СОЛОН–ПРЕСС, 2007. 5. Новиков Ю.В., Калашников О.А., Гуляев С.Э. Разработка устройств сопряжения для персонального компьютера типа IBM PC. –М.: ЭКОМ, 1997. 6. Смит Дж. Сопряжение компьютеров с внешними устройствами. Уроки реализации: Пер. с англ. –М.: Мир, 2000. 7. Ан П. Сопряжение ПК с внешними устройствами: Пер. с англ. – М.: ДМК Пресс, 2003. 8. Смирнов Д.В., Логутенко О.И. Аппаратные средства мультимедиа. Аудиосистема РС. –СПб.: ВХВ–Санкт–Петербург, 1999. 9. Волчёнков Н.Г. Программируем на Visual Basic 6: В 3–х ч. Часть 2. –М.: НИФРА–М, 2000. 10. Михаэль Райтингер, Геральд Муч. Visual Basic 6.0: Пер. с нем. – К.: Издательская группа BHV, 2000.

45

Владимир Николаевич Пашенцев Юрий Николаевич Струков

ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ КОМПЛЕКС НА ОСНОВЕ ПЕРСОНАЛЬНОГО КОМПЬЮТЕРА И ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ МОДУЛЕЙ Лабораторная работа

Редактор Е.Е. Шумакова Подписано в печать 20.01.2009. Формат 60х84 1/16 Уч.-изд. л. 3,0. Печ. л. 3,0. Тираж 300 экз. Изд. № 043-1. Заказ № Московский инженерно-физический институт (государственный университет). Типография МИФИ. 115409, Москва, Каширское ш., 31.