Как превратить персональный компьютер в измерительный комплекс

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.

4. СОБЕРИТЕ СВОЙ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ИНТЕРФЕЙС

Самостоятельная сборка аналогового интерфейса привлекательна прежде всего вследствие значительной экономии средств, особенно если при этом не понадобится серьезное математическое обеспечение, обычно поставляемое в комплекте с промышленными изделиями. При таком подходе можно также выбрать другие способы связи «интерфейс-ПК», например, подключаться к ПК через последовательный, а не через параллельный порт, или же использовать гальваническую развязку, которая в определенных случаях будет необходима.

УНИВЕРСАЛЬНЫЙ АНАЛОГОВЫЙ ИНТЕРФЕЙС ДЛЯ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОГО ПОРТА

Что может быть более естественным, чем подключение последовательного АЦП к последовательному порту, даже если промышленные изделия чаще используют порт параллельный? По правде говоря, главное преимущество такого решения состоит в том, что ПК с двумя (и даже с четырьмя) последовательными портами встречаются гораздо чаще, чем ПК с двумя параллельными портами.

С тех пор как появились специальные порты для мыши, у компьютера довольно часто остается свободным по меньшей мере один последовательный порт; между тем параллельный порт практически всегда занят принтером, очень полезным в виртуальном измерительном комплексе для вывода графиков и числовых результатов.

Еще одним преимуществом последовательного порта RS 232 является более высокая нагрузочная способность, по сравнению с большинством параллельных портов. Она позволяет отчасти разрешить проблему питания не всегда экономичных схем интерфейсов.

Принципиальная схема, приведенная на рис. 4.1, построена на основе схемы промышленных АЦП ADC 10 и ADC 12 (рис. 3.3).

Рис. 4.1. Принципиальная схема интерфейса для последовательного порта

В частности, применен аналогичный входной каскад с делителем напряжения. При использовании тех же номиналов резисторов R4 и R5 (100 кОм для 8-разрядного ADC 10 и 33 кОм для 12-разрядного ADC 12) можно обеспечить автоматическую совместимость этого устройства со всеми приставками, которые будут описаны в главе 6 — устройствами нормирования сигналов, датчиками и т. п.