Как превратить персональный компьютер в измерительный комплекс

Рис. 2.16. Пример схемы относительного преобразования

Опорное напряжение формируется непосредственно из напряжения питания VCC, обычно стабилизированного и равного 5 В. Представим, что в схеме R4 = R1, a R3 = R2, или что отношения R1/R2 и R4/R3 одинаковы. Когда подвижный контакт потенциометра находится в верхнем положении, на входах ANALOG+IN и REF+ будет одинаковое напряжение, и преобразователь сформирует двоичный код, соответствующий его полной шкале (эквивалент числа 255 для 8-разрядного преобразователя). В нижнем положении подвижного контакта потенциометра на нем будет нулевое напряжение, и АЦП, естественно, сформирует код, соответствующий нулевой входной величине. Результат измерения между указанными крайними точками будет очень точно отражать угловое положение подвижного контакта, при условии, что этот потенциометр — прецизионный и имеет линейную характеристику.

Если напряжение питания уменьшится до 4,5 В или увеличится до 5,5 В (что соответствует десятипроцентной погрешности!), это изменение повлияет на потенциалы и на измерительном, и на опорном входах преобразователя, а разность между ними останется прежней.

Данная схема позволяет ввести поправочные коэффициенты путем изменения величины сопротивления резистора R4. Это необходимо, в частности, из тех соображений, что механический ход подвижного контакта (угол поворота оси) обычного потенциометра меньше 360 градусов.

ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ОТРИЦАТЕЛЬНЫХ ВХОДНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ

Большинство простых аналого-цифровых преобразователей предназначены для работы с входными напряжениями в диапазоне от 0 В до величины, меньшей или равной опорному напряжению, которое, в свою очередь, меньше или равно напряжению питания.

Всякое входное напряжение, меньшее напряжения на входе REF-, преобразуется на выходе в код, соответствующий нулю, а напряжение, большее напряжения на входе REF+, определяется как равное напряжению полной шкалы АЦП.

Аналого-цифровые преобразователи, способные обрабатывать отрицательное входное напряжение, формируют на выходе результат преобразования «со знаком», т. е. обычные двоичные слова, старший разряд которых указывает полярность.

8-разрядный преобразователь «со знаком» будет в таком случае иметь только 7 разрядов для представления абсолютной величины измеряемого значения, а этого может оказаться недостаточно (всего 128 возможных уровней квантования).

В случае, когда измеряемое входное напряжение всегда является отрицательной величиной, самое простое решение проблемы заключается в перемене мест входного и общего выводов АЦП, так же, как это делается со щупами любого стрелочного тестера. Но таким образом нельзя избежать проблемы переменного входного напряжения с нулевым средним значением, которое интересно обрабатывать в таких приложениях как виртуальный осциллограф, анализатор спектра или же с целью измерения истинных эффективных значений (среднеквадратичное или RMS).

Простейший выход состоит в добавлении к входному напряжению постоянного напряжения смещения; иначе говоря, надо сместить «ноль» на величину, не меньшую пикового значения измеряемого сигнала. В некоторых случаях это можно сделать, последовательно подключив батарейку, но более разумно применить суммирующую схему на базе операционного усилителя.

Если амплитуда измеряемого сигнала мала по сравнению с полной шкалой АЦП, можно ввести в схему дополнительный входной усилитель. Этот случай будет рассмотрен в главе 6.

УСТРОЙСТВА НОРМИРОВАНИЯ СИГНАЛОВ

Обычно устройством нормирования сигналов называют любую схему, включенную на входе АЦП и предназначенную для согласования его характеристик с характеристиками и параметрами источника измеряемых сигналов. Функции таких устройств могут быть гораздо сложнее, чем простой сдвиг уровня или дополнительное усиление, которые требуются в примерах, представленных на рис. 2.17 (изменение напряжения V в зависимости от значения физической величины G).

Рис 2.17. Два примера линейных зависимостей

Нередко устройство нормирования должно выполнять преобразование «ток-напряжение», одно- или двухполупериодное выпрямление, фильтрацию или даже преобразование изменений емкости или индуктивности в изменение постоянного напряжения. Так, термопары требуют компенсации эффекта «холодного спая», а при работе с мостовыми датчиками необходимо наличие дифференциального входа. Некоторые датчики с нелинейными характеристиками (например, терморезисторы), два примера которых показаны на рис. 2.18, требуют линеаризации по достаточно сложным математическим законам.

Рис. 2.18. Два примера нелинейных зависимостей

В таком случае обычно используют как аналоговую коррекцию, выполняемую схемами в устройстве нормирования, так и цифровую коррекцию, выполняемую программно в процессе обработки выходных данных АЦП.

3. ПРОМЫШЛЕННЫЕ ИЗДЕЛИЯ

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.