Виртуальные цифровые запоминающие осциллографы

Виртуальные цифровые запоминающие осциллографы (ВЦЗО) объединяют возможности аналогичных автономных осциллографов с гибкостью и удобством ПК, что позволяет эффективно автоматизировать измерительные задачи. При использовании устройств сбора данных для создания многоканального виртуального осциллографа сигналы записываются в файлы на жестком диске ПК.

Для измерения амплитудных и временных параметров исследуемого сигнала используется специальный курсор, который может передвигаться по изображению сигнала. В программе предусмотрено автоматическое вычисление среднего, среднеквадратического значений сигнала, отображение на экране минимального и максимального значений сигнала. Для более подробного наблюдения формы сигнала используется растяжка изображения, интерполяция (сигнал изображается непрерывной линией, а не точками), наложение масштабной сетки.

Программа обработки сигнала является многооконной. В окнах кроме исследуемых сигналов могут быть отображены, например, суммарный сигнал u₁(t)+u₂(t); сигнал произведения u₁(t)×u₂(t) и др. Сигнал каждого окна можно перенести на экран ПК для более подробного анализа. Сигналы могут быть сжаты или расширены во времени.

Двухканальные осциллографы компании National Instruments с частотой дискретизации 20 МГц могут быть использованы с интерфейсами Compact PCI; PCMCIA и ISA. На рис. 18. 3 представлена упрощенная схема платы для создания двухканального виртуального ЦЗО. Плата содержит: внутреннюю шину ввода-вывода; 8-разрядный АЦП в каждом канале с частотой выборки 20 млн выб./с (20 МГц); оперативное запоминающее устройство (буферную память типа FIFO, где запись информации выполняется в последовательности поступления выборок); выход на шину ПК. Программируемое постоянное запоминающее устройство хранит и перепрограммирует режимы работы осциллографа. Калибровочные ЦАП используются для калибровки каналов «В/дел. ». Таймер – генератор временной выборки – обеспечивает необходимую частоту выборки. Синхронную работу всех блоков реализует синхронизатор.

Синхронизатор работает в режимах внутренней и внешней синхронизации, а также обладает расширенными возможностями записи сигнала. Имеется дополнительная шина синхронизации.

Рис. 18.3. Структурная схема платы двухканального цифрового запоминающего осциллографа National Instruments

Длительность записи напрямую зависит от объема памяти, отведенной под хранение оцифрованных выборок для обработки и отображения на экране. Длительность записи ограничивает максимальную продолжительность одиночного захвата сигнала. Например, при буфере на 1000 выборок и частоте дискретизации 20 МГц продолжительность захвата составляет 50 мкс. При буфере 100000 выборок и частоте 20 МГц продолжительность захвата составляет 5 мс. Использование шины PCI увеличивает число выборок до нескольких миллионов на канал, так как они немедленно переносятся в системную память компьютера. Осциллограф имеет аналоговый и цифровой запуск. Программное обеспечение поставляется вместе с платой. Интерфейс программы представляет собой панель, с которой можно управлять осциллографом без предварительного программирования.

Осциллограф снабжен специальными схемами контроля: функционирования отдельных блоков; пути прохождения данных; работы синхронизатора; ЦАП; усилителей и др. Ниже приводятся ориентировочные данные виртуальных осциллографов компании National Instruments (PCI-5102, PXI-5102, DAQCard-5102, AT-5102).

На рис. 18. 4 показаны структурная схема и внешний вид модуля PC S500 фирмы Velleman, подключаемого к IBM-совместимому компьютеру, а также соединительные кабели и компакт-диск с программой PC Lab 2000 под операционные системы Windows 95/98.

Рис. 18. 4. Внешний модуль PC S500:

а) – упрощенная структурная схема; б) – внешний вид

Плата имеет два Y-входа для реализации двухканального цифрового запоминающего осциллографа. Аналоговые измеряемые сигналы преобразуются в цифровые. Время выборки АЦП задается таймером. Записанные в ОЗУ цифровые данные передаются через параллельный принтерный порт в компьютер для последующей обработки, запоминания и отображения на экране дисплея.

Программная часть, заложенная в памяти компьютера, создает на экране дисплея компьютера виртуальную переднюю панель осциллографа, полностью эмулирующую панель стационарного ЦЗО. Такая панель может быть перепрограммирована и оптимизирована для конкретных задач. Управление процессом измерения реализуется при помощи мыши. Горизонтальные и вертикальные курсоры позволяют выполнять измерения амплитудных и временных параметров сигнала. На экране высвечиваются соответствующие коэффициенты отклонения и развертки, мгновенные значения сигнала, временные интервалы, среднеквадратическое значение сигнала, частота.

Программное обеспечение позволяет реализовать: анализатор спектра (и показать на экране частотный спектр сигнала с использованием быстрого преобразования Фурье); автоматическую запись медленно протекающих процессов; функциональный генератор сигналов (с библиотекой специальных функций и волновым редактором, позволяющим создавать колебания любой формы); анализатор частотных характеристик усилителя, фильтра и т. д.

Ниже приводятся характеристики виртуального двухканального ЦЗО, реализованного на плате PC S500.

Минимальные системные требования для подключения S500 к ПК: IBM-совместимый компьютер под управлением Windows 95/98, NT4; VGA-видеокарта с разрешением 600 х 800; жесткий диск на 3 Мбайт; мышь или устройство указания; устройство для чтения компакт-дисков; свободный параллельный порт.

Основные возможности программного обеспечения:

- сохранение данных и экранной информации;

- просмотр сохраненных изображений;

- стандартный интерфейс Windows, копирование, вставка удаленного текста;

- широкие возможности измерения сигнала с использованием маркеров;

- прямое считывание истинного среднеквадратического значения сигнала, затухания в децибелах и частоты;

- возможность растяжения изображения на экране;

- применение математических функций к сигналу;

- выбор цвета сигнала на экране;

- добавление текста на экран.

PCS500A - двухканальный осциллограф фирмы Velleman в серии PC совместимых осциллографов. Отличительные особенности PCS500A: внешний триггер, улучшенная входная чувствительность, улучшенная временная развертка осциллографа, расширенный частотный диапазон спектроанализатора.

Стандартная комплектация PCS500A: прибор, две пары щупов, адаптер, кабель параллельного интерфейса, программное обеспечение, инструкция.

Подробные технические характеристики PCS500A:

• Источ. сигнала: кан. 1, кан. 2, триггер или своб. запуск

• Частота дискретизации: 1 Гвыб./с

• Врем. развертка: 20 нс -100 мс/дел.

• Входн. чувствит.: 5 мВ -15 В/дел.

• Част, стробиров.: 1.25 кГц - 50 МГц при повт. 1 ГГц

• Интерполяция: линейная или сглаженная

• Маркеры: для напряжения и частоты

• Длина записи: 4096 выб./канал

• Частотн. диапазон: 0..1-2 кГц до 25 МГц

• Принцип действия: БПФ (быст. преобр. Фурье)

• БПФ разрешение: 2048 строк

• БПФ входн. каналы: канал 1 или канал 2

• Доп. функции: функция масштабир.

• Маркеры: для напряжения и частоты

• Временной масштаб: 20 мс/дел. - 2000 с/дел.

• Макс. время записи: 9.4 ч/экран

• Мин., макс. част, выбор.: 1 выб./20 с, 100 выб./с

• Запись данных: автом. в течении 1 года и более

• Доп. функции: функция масштабирования

• Маркеры: для времени и напряжения

• Осциллограф Фурье анализатор Самописец

• Входной импеданс: 1 МОм/ЗО пФ

• Мах входное напряж.: 100 В (пост, перем.)

• Частот, характер. ±3 дБ: 0 Гц - 50 МГц

• Напряжение питания: 9-10 В/1000 мА

• Размеры: 230 х 165 х 45 мм

• Вес: 490

• Windows 95, 98, 2000 или NT

• SVGA видеокарта (мин. 800 х 600)

• принтерный порт LPT1, LPT2 или LPT3

• арифметический сопроцессор для спектроанализатора.

В ЗАО «Центр АЦП» разработан виртуальный цифровой двухканальный запоминающий осциллограф ЦЗО-01. Его основные характеристики: частота дискретизации 50 МГц; полоса пропускания 0–50 МГц; входной импеданс 1 МОм, 17 пФ; разрядность АЦП 8; объем памяти 256 К; диапазон измеряемых напряжений ± 50 мВ ¸ ±50 В; сохранение сигнала в памяти 262144 отсчетов (реальное время); запись предыстории. Программные функции: автоматическое измерение амплитуды, частоты, скорости нарастания. Кроме того, печать графиков, запись файлов в двоичном ASCII формате и одновременный просмотр всего массива данных на экране.

На рис. 18. 5 показаны лицевые панели осциллографов, реализованные пользователем.

Рис. 18. 5. Лицевые панели осциллографов