Как превратить персональный компьютер в измерительный комплекс

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.