Вполне возможно превратить IBM-совместимый ПК в виртуальный измерительный прибор, не сделав ни одной печатной платы и не написав ни одной строчки программы. Существуют готовые решения «под ключ», стоящие от нескольких десятков до нескольких тысяч долларов в зависимости от предлагаемых возможностей. Самые лучшие из них далеко превосходят возможности обычных измерительных приборов, а самые экономичные решения часто удивляют широтой их потенциальных приложений.

ИНТЕРФЕЙСНЫЕ ПЛАТЫ ВНУТРЕННЕГО ИСПОЛНЕНИЯ

Устройства, выполненные на платах, устанавливаемых в слоты материнской платы ПК, позволяют достичь в реальном масштабе времени частоты дискретизации в несколько десятков мегагерц и разрядности 16 или 24, причем часто для нескольких входных каналов одновременно.

Эти устройства жестко подключены к шине центрального процессора и могут использовать режим прямого доступа к памяти (ПДП — DMA), а следовательно, полностью использовать возможности самых быстрых процессоров. Лучшие модели даже могут быть снабжены буферной памятью объемом до нескольких мегабайт, позволяющей регистрировать самые быстрые процессы в реальном масштабе времени.

Компания National Instruments всегда была пионером в данной сфере и сейчас по-прежнему занимает лидирующие позиции в этой области рынка, ставшей в настоящее время полем жесточайшей конкуренции.

Традиционными потребителями указанной категории изделий в развитых странах являются промышленные отрасли и научные организации, иначе говоря, потребители, которые не экономят на средствах, позволяющих получить метрологически безупречные результаты.

ВНЕШНИЕ ИНТЕРФЕЙСНЫЕ УСТРОЙСТВА

В случаях, когда быстродействие не имеет первостепенного значения, элегантное и экономичное решение представляют внешние интерфейсные устройства, подключаемые к ПК через последовательный или параллельный порты. К этому типу интерфейсов можно отнести как миниатюрный АЦП. расположенный в корпусе разъема DB25, так и классический мультиметр, снабженный разъемом RS232, а также настольный прибор, имеющий на корпусе несколько разъемов и органов управления.

Фирма National Instruments предлагает оригинальное решение, находящееся посередине между двумя указанными вариантами и прекрасно подходящее для портативных ПК. Виртуальный мультиметр, разработанный этой фирмой, выполнен в виде карты PCMCIA, установить которую так же просто, как вставить дискету в дисковод, хотя ее параметры не уступают многим одноканальным платам, предназначенным для внутреннего монтажа. Диалоговое окно мультиметра показано на рис. 3.1.

Рис. 3.1. Диалоговое окно виртуального мультиметра фирма Nationol Instruments

АНАЛОГО-ЦИФРОВЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ADC 10 И ADC 12

Среди моделей, предлагаемых в виде внешних интерфейсов, миниатюрные аналого-цифровые преобразователи ADC 10 и ADC 12 компании PICO Technology пользуются большой популярностью. Причиной тому — исключительная простота их применения и доступная цена. ADC 10 и ADC 12 представляют замечательную возможность добавления одного или нескольких аналоговых входов к любому ПК.

Программное обеспечение, поставляемое в комплекте с данными АЦП, сразу превращает компьютер в цифровой мультиметр, запоминающий осциллограф, анализатор спектра и даже в ленточный регистратор (самописец), причем все эти виртуальные приборы работают с сигналами в полосе частот от нуля (постоянный ток) до нескольких килогерц.

Подобное оборудование при наличии соответствующих датчиков и устройств нормирования отлично подходит для измерения и регистрации самых разных физических параметров. Конкретные технические решения подробно рассматриваются в главе 6.

Концепция, разработанная британской компанией PICO Technology, весьма оригинальна: АЦП ADC 10 и ADC 12 выполнены в виде простого разъема DB25 (рис. 3.2). Подключение аналогового сигнала осуществляется с помощью кабеля через разъем типа BNC (СР50-73).

Рис. 3.2. Внешний вид АЦП ADC 10 и ADC 12

Достаточно вставить один из этих приборов в разъем параллельного порта (LPT1 или LPT2), чтобы превратить последний в аналоговый вход с диапазоном напряжений от 0 до 5 В. Не нужно ни батарей, ни другого внешнего источника питания, так как сам АЦП и его источник опорного напряжения потребляют столь мало энергии, что питаются от тех цепей передачи данных, которые не задействованы для связи с ПК. Надо лишь запустить программу PICOSCOPE, поставляемую вместе с АЦП, чтобы сразу же получить цифровой вольтметр, запоминающий осциллограф и анализатор спектра.

Предлагаемый отдельно пакет PICOLOG позволяет, в свою очередь, проводить регистрацию динамики медленных процессов. Он обладает также многими другими возможностями, которые будут подробно рассмотрены в главе 5.

Конечно, не следует рассчитывать на то, что за несколько десятков долларов можно получить эквивалент прибора, стоящего в тысячи раз дороже.

Основные ограничения на применение рассматриваемых устройств накладывают максимальная частота дискретизации (до 25 кГц) и единственный диапазон входных напряжений (0–5 В). Правда, следует отметить, что вход защищен от перегрузок до ±30 В.

Таким образом, для большинства практических приложений этого прибора понадобится добавить устройство нормирования сигнала, в качестве которого может выступить простая гальваническая батарейка, резисторный делитель напряжения, конденсатор или операционный усилитель с несколькими резисторами.

Ниже приведены драйверы, которые позволят легко писать программы для решения любой конкретной задачи и на языке BASIC, и на языке PASCAL, и на языке С. Эти вопросы подробно освещаются в главе 5.

На рис. 3.3 приведена упрощенная принципиальная схема АЦП ADC 10 и ADC 12, а на рис. 3.4 показана конструкция этих изделий.

Рис. 3.3. Упрощенная схема АЦП ADC 10 и ADC 12

Рис. 3.4. Конструкция АЦП ADC 10 и ADC 12

При очевидной простоте технического решения возможности измерительной системы в значительной мере определяются ее программным обеспечением.

Эта схема является хорошим примером применения миниатюрных аналого-цифровых преобразователей с выводом информации в последовательном коде, рассмотренных в главе 2. Оригинальность схемы состоит в том, что опорное напряжение в ней составляет 2,5 В, а входное напряжение делится на 2 для получения полной шкалы устройства в 0–5 В. Подобная хитрость позволяет, кроме того, весьма эффективно и с малыми затратами защитить вход АЦП от перегрузок, а также обойтись для питания устройства напряжением около 5 В, получаемым от цепей информационных данных параллельного порта. Для этого на соответствующих выходах порта программно устанавливаются напряжения высокого логического уровня.

Аналого-цифровые преобразователи ADC 10 и ADC 12 различаются между собой разрядностью (соответственно 8 и 12 разрядов) и входным сопротивлением (соответственно 200 кОм и 66 кОм). Кроме этого, модели можно различить по цвету корпуса. При практическом применении следует учитывать указанные величины входных сопротивлений, если планируется использовать стандартные щупы с делителями.

Представляется заманчивым сразу предпочесть ADC 12, а не ADC 10, и получить разрешение в 4096 точек по приемлемой цене. Но не все так просто!

Прежде всего, надо отметить, что передача 12 битов в последовательном коде занимает как минимум на 50 % больше времени, чем передача 8 бит. От этого сильно зависит верхний предел частоты дискретизации, а он должен быть как можно большим…

Кроме того, следует учесть, что точность других компонентов (хотя бы входного делителя) составляет 1 %. Это соответствует разрешению в 256 точек (8 разрядов), но недостаточно для точности 0,025 %, соответствующей разрешению в 4096 точек (12 разрядов).

Большинство осциллографов с цифровой памятью имеют точность лишь от 2 % до 4 % и разрешение на уровне 8 разрядов, зато они работают при частотах входных сигналов до десятков мегагерц.

Главный аргумент в пользу ADC 12 состоит в том, что его точность 1 % обеспечивается даже для входного напряжения, существенно меньшего пяти вольт. Действительно, шаг квантования этого АЦП составляет 1,2 мВ, в то время как у ADC 10 он равен 20 мВ (теоретическое обоснование данного факта приведено в главе 2).

Следовательно, в диапазоне входных напряжений 0 В — 300 мВ аналого-цифровой преобразователь ADC 12 будет таким же точным, как ADC 10 в диапазоне от 0 В до 5 В. Заметим, что можно достичь того же результата и с помощью ADC 10, снабдив его регулируемым усилителем. Этот способ будет рассмотрен в главе 6.

ДРУГИЕ КОМПОНЕНТЫ ЭТОЙ СЕРИИ

Компания PICO Technology, расположенная в области, которую обыкновенно называют английской Кремниевой Долиной (в окрестностях Кембриджа), уже много лет специализируется на приборостроении и системах сбора и обработки данных.

Изделия ADC 10 и ADC 12 — лишь два образца из всего многообразия продуктов, разработанных компанией, хотя оригинальность названных приборов сделала их бестселлерами. Кроме этих двух одноканальных устройств надо отметить ADC 11 (11-канальный, 10-разрядный), ADC 16 (8-канальный, 8- или 16-разрядный). ADC 100 (2-канальный, 12-разрядный), ADC 200 (2-канальный, 8-разрядный, с частотой дискретизации до 100 МГц).

За исключением ADC 11, который стоит столько же, сколько ADC 12, и имеет частоту дискретизации до 15 кГц, область применения перечисленных приборов совсем иная. Действительно, частота дискретизации сильно зависит от числа входных каналов и разрядности преобразователя. Например, имея частоту дискретизации 2 Гц при 16-разрядном и 300 ГЦ при 8-разрядном режиме, ADC 16 может обрабатывать лишь очень медленные процессы. Но при входном сопротивлении 1 МОм, диапазоне входного сигнала от -2,5 В до +2,5 В и возможности организации дифференциальных входов его можно применять для самых «тонких» приложений, таких как хроматография или измерение биопотенциалов.

Аналого-цифровой преобразователь ADC 100 заслуживает более подробного описания, в частности, потому, что он заметно превосходит по параметрам ADC 10 (но стоит при этом в пять раз дороже) и даже ADC 12. Очевидно, что его можно применять в более серьезных областях. Выполненный в пластиковом корпусе (рис. 3.5), который удобнее по сравнению с корпусом разъема DB25, АЦП ADC 100 имеет гораздо более сложную схему, чем его предшественники, так как его конструкция не ограничена требованиями миниатюризации.

Рис. 3.5. Внешний вид платы АЦП ADC 100

На приведенной фотографии видно, что рядом с двумя разъемами BNC расположены два кнопочных переключателя, коммутирующих открытое и закрытое состояние входа (AC/DC). Как и любой осциллограф, прибор может работать и с открытым входом, и через конденсатор, препятствующий прохождению постоянной составляющей входного сигнала. Эта возможность, представляющая в диапазоне 0–5 В лишь относительный интерес, в данном случае полностью оправдана, поскольку ADC 100 работает как с положительными, так и с отрицательными входными напряжениями. Более того, он имеет семь пределов измерения, выбираемых программно: ±200 мВ, ±500 мВ, ±1 В, ±2 В, ±5 В, ±10 В и ±20 В. Благодаря входному сопротивлению, составляющему ровно 1 МОм на всех пределах, достаточно любого стандартного щупа с делителем 1:10 для получения дополнительного предела ±200 В.

Таким образом, АЦП ADC 100, имеющий 4096 уровней квантования (2048 для положительных и 2048 для отрицательных напряжений), обладает при измерении напряжения 25 мВ на входе той же точностью, что и ADC 10 при измерении напряжения 5 В. Лишь в редких случаях может понадобиться добавление на его входе какого-либо внешнего усилителя.

В стандартную поставку ADC 100 входят пакеты программ PICOSCOPE и PICOLOG, которые поддерживают его дополнительные возможности. Например, осциллограф PICOSCOPE является двухканальным и может работать даже в режиме «Х-Y» для формирования фигур Лиссажу. Его также можно использовать в качестве характериографа для снятия вольт-амперных характеристик (ВАХ) полупроводниковых приборов или как «анализатор сигнатур» тех устройств, для которых отсутствуют принципиальные схемы.

При обработке сигналов одновременно в обоих каналах реальная частота дискретизации достигает 53 кГц (при использовании ПК с процессором 386SX25). Это означает, что сигнал с частотой 10 кГц, прямоугольный или даже треугольный, будет весьма сильно искажен (но тем не менее пригоден для оценки, в отличие от ситуации с использованием АЦП ADC 10 и ADC 12).

В одноканальном режиме при тех же условиях достижима частота дискретизации 106 кГц (до 120 кГц при использовании процессора 486/66 МГц), поскольку нет разделения ресурсов между каналами. Прямоугольный сигнал с частотой 10 кГц в таком случае будет отображен правильно, возможно, с чуть менее крутыми фронтами, чем на самом деле.

Что касается верхнего предела частотного диапазона ADC 100, то он объективно лежит в области от 8 до 12 кГц, тогда как, применяя ADC 10, едва ли удастся перешагнуть рубеж 2–3 кГц.

Иначе обстоит дело при работе с виртуальным анализатором спектра, так как в этом случае не требуется точно восстанавливать форму сигнала, а следует выполнить алгоритм быстрого преобразования Фурье (БПФ — FFT). На практике можно получать спектры сигналов в полосе шириной до 30–40 кГц, а это значит, что полоса звуковых частот 20 Гц — 20 кГц перекрывается полностью. Кстати, можно очень точно выделить составляющую пилот-сигнала 19 кГц в спектре радиовещательного комплексного стереосигнала системы CCIR.

Цифровой виртуальный мультиметр также имеет дополнительные возможности. Для получения среднеквадратичного вольтметра теперь не нужно устройство нормирования, а режим частотомера позволяет проводить точнейшие измерения основной гармоники с частотой до 30 кГц. Это будет отличным дополнением анализатора спектра, который показывает высшие гармоники в спектре входного сигнала.

При этом в различных режимах на экран можно одновременно вывести до шести индикаторов, то есть по три индикатора на канал: вольтметр постоянного тока, среднеквадратичный вольтметр и частотомер. А в особенных случаях имеется возможность преобразовать одно из напряжений или частоту в другие, более удобные величины для прямого отсчета измеряемого параметра.

Как было указано, АЦП ADC 100 имеет семь пределов измерения, которые выбираются программным способом вручную или автоматически: вольтметр PICOSCOPE может сам искать предел измерения, обеспечивающий наибольшую точность, а в случае использования виртуального осциллографа управление выбором пределов осуществляется вручную. Если с этой программой используются АЦП типов ADC 10 и ADC 12, то она просто подбирает масштаб шкалы для выводимой кривой.

При работе с программой PICOLOG пользователь должен до начала измерений самостоятельно определить тот предел, который он сочтет наиболее подходящим для каждого канала.

АЦП ADC 100 просто подключается кабелем, входящим в комплект поставки, к разъему параллельного порта ПК (не нужно ни источника питания, ни даже гальванической батарейки!). При этом он способен обеспечить возможности и характеристики, сравнимые с некоторыми платами сбора данных, предназначенными для установки в слоты материнской платы.

ADC 100 — это техническое решение, которое целесообразно использовать, если достаточно частоты дискретизации в 50-100 кГц. Для более высоких скоростей стоит выбрать АЦП ADC 200.