Среди всего многообразия ПК следует особо выделить класс промышленных компьютеров, предназначенных для использования в сложных условиях эксплуатации по температуре, влажности, помеховым электромагнитным полям, запыленности и вибрациям. Хотя стоимость таких ПК в несколько раз выше, их применение в структуре КВП оправдано высокой надежностью. [6]
Промышленные ПК предусматривают дополнительные интерфейсные возможности, они содержат большое число свободных слотов для плат расширения, могут комплектоваться специальными модулями ввода-вывода, коммутации и управления. В процессе своей работы такие компьютеры при выполнении прецизионных измерений допускают программируемое отключение монитора. Встраиваемые платы Встраиваемые платы обеспечивают многоканальный ввод/вывод аналоговых и дискретных сигналов, программируемые коэффициенты усиления и скорости преобразования, устанавливаемые индивидуально для каждого канала, содержат счетчики ? таймеры, шину для синхронизации работы нескольких плат, сигнальные процессоры для обработки сигналов. Выпускаются недорогие платы, отличающиеся функциональными возможностями, скоростью оцифровки в десятки мегагерц, наличием специализированных микросхем для организации аналогового и цифрового ввода/вывода. Для нормализации реальных сигналов служат отдельные согласующие модули или система согласующих модулей, обеспечивающих усиление, мультиплексирование, питание датчиков, переключение, развязку и фильтрацию сигналов.[6]
Современные платы АЦП и ЦАП позволяют совместно с ПК реализовать широкий спектр многоканальных ВП, в том числе следующие: ? характериографы, вольтметры, осциллографы и анализаторы спектра в полосе частот свыше 100 МГц; ? генераторы стандартных сигналов, импульсов, качающейся частоты, шума, телевизионных сигналов в полосе свыше 100 МГц; ? прецизионные приборы для измерения и синтеза сигналов с точностью до 0,003 % в динамическом диапазоне не хуже 90 дБ; ? анализаторы потока цифровых данных, логические анализаторы на 64 канала и более с тактовой частотой свыше 1 ГГц. Точностные и частотные характеристики приборов на сегодняшний день ограничиваются возможностями АЦП и способами цифровой обработки данных. Схема многоканального ВП приведена на рис. 2.
Применение методов цифровой обработки сигналов существенно снижает требования к аппаратной части, упрощает и удешевляет ее. С целью повышения достоверности и точности измерений могут использоваться алгоритмы косвенных измерений по формулам и процедурам, недоступным для автономных приборов, но легко реализуемых в ПК. Цифровые методы обеспечивают минимальную погрешность обработки, высокую достоверность выходных результатов, значительную помехоустойчивость и функциональную гибкость программно-аппаратных средств. Основные этапы цифровой обработки: аналого-цифровое преобразование; обработка и преобразование данных; оценка параметров сигналов и устройств.
Рис. 2 Схема многоканального ВП
Задачи цифрового синтеза радиосигналов с заданными параметрами могут решаться на основе виртуальных генераторов. Платы ЦАП позволяют превратить ПК в функциональный многоканальный генератор, частотный и динамический диапазон которого определяются выбранным ЦАП. При этом можно создавать комбинированные сигналы непосредственно в одном рабочем канале. Виртуальный генератор позволяет сформировать любую необходимую функцию сигнала, шума, а также их комбинации. Он может работать как адаптивное устройство в различных комплексах и системах.[7]
Примеры реализации визуальных приборов в электрических измерениях
Наибольшее количество АЦП и ЦАП используется в бытовой технике (видеокамеры, аудио- и видеоплееры, звуковые и большинство видеокарт компьютеров и др.), автомобилестроении и некоторых других областях хозяйственной деятельности человека, но наиболее быстрые и наиболее «точные» применяются в цифровых вольтметрах, цифровых осциллографах и платах АЦП для компьютера. Рассмотрим принципиальную блок-схему одного из таких приборов, представленную на рис. 3. Отличия цифрового осциллографа от цифрового вольтметра постоянного или медленно меняющегося напряжения заключаются в разных типах АЦП и некоторых особенностях применяемых схем входного устройства и оперативно-запоминающего устройства (ОЗУ). Полоса пропускания современных осциллографов достигает несколько десятков ГГц, чувствительность вольтметров -- 1 нВ, амперметров -- 1 пА.
Входное устройство состоит из аттенюатора и истокового повторителя. В отличие от аналоговых осциллографов, цифровым не требуется линия задержки, поскольку АЦП работает в непрерывном режиме.
Оперативное запоминающее устройство типа FIFO (First In First Out) выполняет функцию линии задержки. АЦП постоянно преобразует входное напряжение в цифровой код, записываемый в ОЗУ. Далее записанный код «движется» в ОЗУ, как на конвейере
Рис. 3 Принципиальная блок-схема цифрового вольтметра
Первый элемент, записанный в ОЗУ, с каждым тактом сдвигается. Отсюда название FIFO -- первый записанный элемент на выход придет первым.
Контроллер К управляет работой и взаимодействием отдельных частей цифрового прибора. В случае платы АЦП контроллером может выступать программное обеспечение, хотя в большинстве случаев, чтобы не загружать центральный процессор персонального компьютера, контроллер стоит на плате и взаимодействует с программным обеспечением. Когда контроллер с «зашитым» алгоритмом синхронизации (логический аналог схемы синхронизации) определяет момент запуска развертки, данные из ОЗУ передаются в запоминающее устройство контроллера или оперативную память персонального компьютера.[8]
После того как цифровой код измеряемого сигнала передан в запоминающее устройство контроллера, сигнал может быть представлен графически на экране осциллографа, персонального компьютера или выведен на дисплей вольтметра. Кроме измерения и графического представления результата измерения современные цифровые измерительные устройства позволяют выполнять множество различных обработок полученных результатов. Приведем некоторые функции современных цифровых осциллографов:
1) измерение среднего, среднеквадратического, пикового, средневыпрямленного напряжения за период, за время измерения или за выбранный промежуток времени;
2) измерение фазового сдвига между напряжениями, подаваемыми на разные каналы осциллографа;
3) измерение частоты и периода сигнала;
4) измерение времени нарастания, времени спада, длительности одиночного импульса, скважности, неравномерности вершины и др.;
5) возможность проведения курсорных измерений;
6) возможность усреднения отображаемых осциллограмм по нескольким (до нескольких тысяч) выборкам;
7) возможность исследования специальных сигналов;
8) возможность подключения запоминающих устройств к осциллографу для сохранения исследуемого или воспроизведения ранее сохраненного сигнала или настроек осциллографа;
9) возможность подключения к персональному компьютеру;
10) возможность выполнения быстрого преобразования Фурье.
Приведенный список далеко не полный и зависит от производителя осциллографа и его модели.
Электронные цифровые вольтметры, особенно специализированные, превосходят по точности и чувствительности электронные осциллографы на 1+5 порядков, но имеют не столь большой список возможностей:
1) выбор скорости измерения (эта возможность особенно актуальна при использовании сигма-дельта АЦП);
2) выполнение усреднения по заданному количеству измерений с расчетом СКО и других характеристик полученного распределения;
3) измерение температуры посредством термопары без холодного спая. Зависимости ЭДС от температуры всех широко применяемых термопар содержатся в микропрограмме вольтметров. Существует возможность задавать температурную поправку вручную или по измерению температуры внутри вольтметра;
4) ручное или автоматическое изменение пределов измерения;
5) возможность измерения нескольких параметров переменных напряжений;
6) универсальные измерительные приборы (так называемые мультиметры) позволяют измерять постоянное и переменное напряжение, силу постоянного и переменного электрического тока, электросопротивление.[9]
Виртуальный осциллограф
Виртуальный осциллограф позволяет исследовать переменные напряжения в звуковом диапазоне частот: от 30..50 Гц до 10..20 Кгц по двум каналам с амплитудой от нескольких милливольт до десятков вольт. Перед реальным осциллографом такой прибор имеет преимущества: он позволяет легко определять амплитуду сигналов, запоминать осциллограммы в графических файлах. Недостатком прибора является невозможность увидеть и измерить постоянную составляющую сигналов.
На панели прибора располагаются органы управления, типичные для реальных осциллографов, а также специальные средства настройки и кнопки для работы в режиме запоминания осциллограмм. Все элементы панели снабжены всплывающими комментариями, и Вы легко с ними разберетесь. В скобках комментариев указаны клавиши, дублирующие экранные органы управления.
Характеристики осциллографа в значительной степени зависят от параметров звуковой карты Вашего компьютера. Так со старыми типами карт, у которых частота дискретизации не более 44,1 кГц, частотный диапазон прибора ограничен сверху. Используя имеющийся на панели переключатель частоты дискретизации, опробуйте свою звуковую карту, и остановитесь на наивысшем возможном значении. Уже при 96 кГц можно уверенно рассматривать сигналы до 20 кГц.
Разрядность АЦП установлена равной 16, что обеспечивает достаточно высокую точность.
Диапазон измеряемых осциллографом напряжений определятся резистивными делителями, смонтированными на кабеле (см. схему в помощи программы - "?"). При R1 =0 все напряжение поступает на вход АЦП звуковой карты, следовательно можно без искажений рассматривать сигналы амплитудой не более 500..600 мВ. При использовании резисторов указанных на схеме номиналов получается диапазон напряжений до 25 В, что обычно достаточно в любительской практике.
Параметры:
Входные
· Каналы -- список каналов, которые требуется отобразить.
· Интервал -- интервал отображения, с.
· X-смещение -- при помощи которого можно сдвигать осциллограмму по оси абсцисс.
· X-интервал -- для установки интервала по оси X.
· Y-смещение -- при помощи которого можно сдвигать осциллограмму по оси ординат.
· Y-интервал -- для установки интервала по Y.
· Вкл/выкл -- включение и выключение многоканального осциллографа.
· Запись -- при подаче на данный контакт импульса происходит сохранение данных в отдельный файл (имя и местоположение файла указываются в частных свойствах компонента).
Общие свойства (окружение):
· Caption -- название компонента (это имя используется при написании скриптов, также при межстраничной связи).
· VisibleInRun -- видимость компонента при запущенном проекте.
· m_sHelpString -- строка идентификатора (используется в адресации канала с компонентом).
· Линейные размеры:
· Width -- ширина компонента.
· Height -- высота компонента.
· Координаты левого угла:
· Left -- координаты X левого верхнего угла.
· Top -- координаты Y левого верхнего угла.
ПРОГРАММИРОВАНИЕ
При использовании компонента в сценарии и программируемом компоненте (скрипте) необходимо учитывать диапазоны значений подаваемых на входные ножки компонента, диапазоны значений свойств компонента, а также диапазоны значений параметров методов компонента.
Настраиваемые свойства:
· BSTR Caption -- установка и чтение названия компонента.
· VARIANT_BOOL CaptionVisible -- установка и чтение Видимость надписи над компонентом:
· true -- видимость надписи над компонентом
· false -- видимость надписи над компонентом -- выключена.
· VARIANT_BOOL VisibleInRu -- установка и чтение Видимость компонента при запущенном проекте:
· - true -- видимость компонента при запущенном проекте -- включена.
· - false -- видимость компонента при запущенном проекте -- выключена
· BSTR m_sHelpString -- установка и чтение Строка идентификатор.
· ULONG Width -- установка и чтение Ширина компонента (число).
· ULONG Height -- установка и чтение Высота компонента (число).
· ULONG Left -- установка и чтение Координаты Х левого верхнего угла (число).
· ULONG Top -- установка и чтение Координаты У левого верхнего угла (число).
Методы:
· void AboutBox() -- устанавливает информацию о компоненте.
Частные свойства (в скобках значение, установленное по умолчанию):
· Interval (1) -- установка интервала отображения, с.
· XStart (0) -- установка смещения нуля по оси X, с.
· XInterval (1) -- длина отображения по оси X, с.
· YStart (0) -- установка смещения нуля по оси Y (в единицах измерения).
· YInterval (1) -- установка интервала отображения по оси Y (в единицах измерения).
· update (0.1) -- обновление отображения (0.1 или 1 сек.).
· Synchro (false) -- состояние синхронизации (включен или отключен).
· SynchroLevel (0) -- уровень синхронизации (в единицах измерения).
· Activate (true) -- состояние подачи сигнала (подан или отключен).
· FileName -- имя файла для записи результатов.
· Decimation (1) -- децимация исходного сигнала: 1; 10; 100; 1000; 10000.
Пример:
Рис. 4 Пример схемы осциллографа
В этой схеме компонент Диапазон значений предназначен для получения мгновенных значений сигнала канала в заданном диапазоне времени. Таймер служит для подачи синхронизирующих импульсов на Время сервера и График. Это нужно, чтобы Графики Диапазон значений работали в едином временном пространстве. Синусоидальный сигнал нужен для создания пробного сигнала, а Многоканальный осциллограф -- для его текущего графического отображения.