Патрик Гёлль - Как превратить персональный компьютер в измерительный комплекс

• Название: Как превратить персональный компьютер в измерительный комплекс
• Автор: Патрик Гёлль
• Жанр: Радиотехника
• Год: 1999
• ISBN: 5-89818-026-5

Книга Патрика Гёлля «Как превратить персональный компьютер в измерительный комплекс» позволяет создать на базе IBM PC-совместимого персонального компьютера систему сбора и обработки информации о различных физических процессах. Тем самым ПК превращается в мощный измерительный прибор. Область применения виртуального измерительного комплекса шире, чем у обычного измерительного прибора, поскольку виртуальный комплекс можно перепрограммировать и оптимизировать для конкретных задач.

В книге рассказывается о создании системы сбора и обработки данных, состоящей из датчиков физических величин (тока, давления, температуры и т. д.), интерфейсного устройства (как правило, аналого-цифрового преобразователя) и программных средств, позволяющих обрабатывать и интерпретировать собранную информацию. Схемы и рекомендации, приведенные в книге, позволяют собрать все рассмотренные устройства самостоятельно. Программное обеспечение и драйверы устройств, находящиеся на сервере www.dmk.ru, позволяют сразу перейти к разработке информационной системы, даже если у вас нет практических навыков в области радиоэлектроники. Современные технические и программные решения, предлагаемые автором книги, надежны и проверены на практике. Они, без сомнения, будут полезны всем, кто разрабатывает дешевые и экономичные системы сбора и обработки информации.

Книга предназначена для специалистов в различных областях (радиоэлектроника, акустика, геофизика, термодинамика и т. д.) и радиолюбителей, а также для преподавателей физики и информатики школ и высших учебных заведений.

---

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.

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).