В последние годы в связи со "всеобщей компьютеризацией" значительно возрос интерес к так называемым виртуальным приборам- измерительной аппаратуре, использующей в качестве устройства управления и отображения обычный персональный компьютер (ПК). И это не просто дань моде. Такие приборы предоставляют возможность создания компактной, гибкой и недорогой измерительной системы, пригодной для решения широкого круга задач в самых различных областях.
К сожалению, на отечественном рынке виртуальных инструментов пока преобладает импортное оборудование. Поэтому специалистов может заинтересовать очередная разработка российских инженеров- двухканальный цифровой запоминающий осциллограф (ЦЗО) АСК-3106, входящий в состав измерительной USB-лаборатории Актаком.
Рис.1.
Осциллограф АСК-3106 (рис. 1) представляет из себя внешний настольный модуль, который подключается к ПК через параллельный (LPT) порт либо через более современный интерфейс USB 1.1. Прибор позволяет наблюдать форму сигналов по двум независимым каналам в полосе частот 0…100 МГц. Чувствительность по вертикали составляет от 2 мВ/дел до 10 В/дел. Кроме того, прибор имеет аппаратный буфер памяти на 131072 выборок для каждого канала.
Входное сопротивление соответствует стандартным значениям, принятым для обычных осциллографов, поэтому АСК-3106 может использоваться с любыми стандартными осциллографическими щупами. Измерения могут синхронизироваться по каналам A, B или по сигналу на внешнем входе синхронизации. Порог синхронизации может быть установлен независимо для каждого канала. Основные технические характеристики прибора приведены в таблице 1.
Таблица 1.
|
Параметр |
Значение |
|
Максимальная эквивалентная частота выборок стробоскопическом режиме, ГГц |
10 |
|
Максимальная частота дискретизации, МГц |
100 |
|
Объем внутренней памяти, выборок на канал |
131072 |
|
Диапазон чувствительности |
2 мВ/дел ....10В/дел с шагом 1- 2 - 5 |
|
Разрешение, бит |
8 (256 точек на шкалу) |
|
Полоса пропускания по уровню -3 дБ на пределах:
2 мв/дел ...1В/дел
2В/дел ...10В/дел |
100 МГц
70 МГц |
|
Габаритные размеры, мм |
260x210x70 |
|
Масса, кг |
не более 0,8 |
Для нормальной работы АСК-3106 конфигурация компьютера, к которому он подключен, должна отвечать следующим минимальным требованиям: установленная операционная система Windows 98/Me/NT4/2000/XP, около 11 Мбайт свободного дискового пространства, не менее 8 Мбайт оперативной памяти (без учета памяти, необходимой для работы самой операционной системы). Для воспроизведения звуковых сообщений программы подойдет любая Windows-совместимая аудиосистема. Для работы программы подойдет процессор, как минимум, Pentium II с частотой 400 МГц.
Как известно, технические и эргономические характеристики любого виртуального инструмента определяются не только уровнем исполнения его аппаратной части, но и во многом зависят от качества программного обеспечения (ПО). Поэтому рассмотрение функциональных возможностей осциллографа АСК-3106 построим на основе описания рабочих панелей, с помощью которых осуществляется управление всей работой прибора.
Пользовательский интерфейс штатного ПО АСК-3106 состоит из набора рабочих панелей (окон), каждое из которых содержит набор управляющих элементов, позволяющих оператору влиять на работу программы и индикаторов, отображающих необходимую информацию. Большинство этих элементов являются частью стандартного интерфейса Windows и не требуют специальных пояснений по использованию. Легкость освоения программы обеспечивается также наличием "всплывающих подсказок"- кратких текстовых пояснений по использованию каждого элемента. Для управления прибором можно также использовать команды выпадающего меню главной панели. Основные рабочие окна программы (главная панель, панель управления, панель измерений) представлены на рис. 2.
Рис.2.
Для отображения полученных осциллограмм служит основной график панели. Одновременно с изображением текущих сигналов по двум каналам на нем могут отображаться фигуры Лиссажу, ранее зафиксированные осциллограммы, постепенное гашение предыдущих сигналов, метки вычисленных параметров, кривая специальной функции и измерительные курсоры. Как вертикальный, так и горизонтальный масштаб основного графика могут быть изменены по желанию пользователя. Расположенный в нижней части главной панели обзорный график позволяет быстро выбрать нужный для рассмотрения участок сигнала из полного набора измеренных данных.
На панели управления размещены основные органы управления прибором: регуляторы диапазонов, смещений, развертки и т.п. Для тех, кто предпочитает „классический” способ управления осциллографом, на панели имеются обычные кнопки и верньеры, а пользователи компьютеров со стажем могут воспользоваться более привычным для них стилем- с помощью списков-меню.
Результаты курсорных измерений и масштабные коэффициенты основного графика в численном виде представлены на панели измерений.Поверх основного графика главной панели могут выводиться еще два элемента: панель цифрового вольтметра и панель измерителя сдвига фаз (рис. 3).
Рис.3.
При активированном режиме цифрового вольтметра для отображаемых осциллограмм вычисляются и индицируются среднеквадратическое, амплитудное и среднее значения уровня сигнала по обоим каналам.
Хотя точность каждой выборки в осциллограмме ограничена разрядностью входящего в состав прибора АЦП (8 бит), за счет статистической обработки большого объема данных (одна осциллограмма может содержать до 131072 выборок) достигается достаточно высокая точность измерений. Так, при испытании прибора на сигнале частотой 100 кГц (от генератора Г4-158) удалось наблюдать дрейф действующего значения напряжения на 1 мВ на фоне 2В (т.е. величину порядка 0,05%). Измерение сдвига фаз сигнала на канале B относительно канала A может производиться одним из трех методов, выбор которого остается за пользователем.
При использовании геометрического метода на основном графике определяются моменты переходов осциллограмм через среднее значение для обоих каналов. Среднее по всем найденным периодам отношение разности между моментами начала периода канала B и A к средней длительности периода по обоим каналам дает искомый сдвиг фаз. Недостатком этого простейшего метода является то, что он дает корректный результат только для сигналов идентичной формы и одинакового периода.
Другой метод измерения сдвига фаз сигнала- интегральный, основанный на формуле косинуса угла потерь, что позволяет избежать грубых ошибок геометрического метода, возникающих из-за случайных помех, искажающих форму сигнала. Кроме того, в этом случае возможно определение сдвига фаз между сигналами различной формы. Но этот метод дает лишь абсолютное значение угла.
В спектральном методе измерения сдвига фаз используется алгоритм быстрого преобразования Фурье для перевода сигналов из временной области в фазочастотную. Для сигналов обоих каналов определяется основная гармоника (по максимальной амплитуде) и сравниваются значения соответствующих фаз. Все остальные составляющие сигнала игнорируются.
Программа автоматически определяет следующие стандартные параметры импульсных сигналов: амплитуду, размах, положительный и отрицательный выбросы, медиану, среднее, стандартную девиацию, среднее квадратичное значение, период, частоту, длину импульса, относительную длину импульса, время нарастания и спада. Результаты выводятся на специальную панель (рис.4).
Рис.4.
Не оставлено без внимания и такое мощное средство анализа цифровых сигналов, как быстрое преобразование Фурье. На одноименной панели (рис. 5) пользователь может рассмотреть амплитудный и фазовый спектр интересующего его участка сигнала.
Рис.5.
Здесь к его услугам переключение типов вертикальной шкалы (линейная или логарифмическая), автоматическое и ручное масштабирование графика, курсорные и автоматические измерения параметров гармоник, выбор оконных функций (треугольное, Ханна, Хэмминга, Блэкмена, Гаусса, конический косинус и т.д.) и, наконец, спектральный фильтр сигнала, настраиваемый с помощью графического эквалайзера. С помощью этого фильтра можно усилить или ослабить любую гармонику исходного сигнала и проконтролировать результат на основном графике программы.
Кроме спектрального фильтра, в программе реализованы и более простые алгоритмы цифровой фильтрации.При использовании накопительного фильтра для каждой точки времени отображается среднее значение за указанное количество сборов сигнала. Таким образом подавляются случайные шумовые составляющие сигнала.
Полиномиальный фильтр, в отличие от накопительного, не требует повторных измерений. При этом используется быстрый алгоритм многопроходного биноминального сглаживания. Количество проходов задается пользователем в диапазоне от 0 до 50. Резкие броски сигнала „размазываются” по ближним точкам, тем самым подавляются высокочастотные шумы. Однако нужно иметь в виду, что при этом возможно сильное искажение сигнала, имеющего "угловатую" форму.
Помимо измеренных сигналов, программа позволяет выводить на основной график главной панели дополнительную кривую, изображающую некоторую математическую функцию от этих данных: начиная от простых арифметических операций между каналами до корреляционной и передаточной функций.
Из измеряемых программой величин можно выбрать до трех параметров, по которым будут накапливаться результаты статистической обработки: среднее, минимальное и максимальное значения и стандартное отклонение. Кроме того, по одному из этих трех параметров может проводиться более подробный анализ с отображением результатов на гистограмме распределения вероятности (рис. 6).
Рис.6.
Для работы программы в отсутствие реального прибора (с тестовыми или учебными целями) можно воспользоваться функцией эмулятора сигналов. Для этого необходимо задать (математическим выражением, использовать готовую или нарисовать от руки) нужную форму сигнала для выбранного канала и записать ее в память. После этого программа будет работать так, как будто к ней подключен реальный осциллограф, на входы которого подается периодически повторяющийся сигнал заданной формы (рис. 7).
Рис.7.
Для удобства пользователя в программе имеется также встроенный калькулятор формул (рис. 8).
Рис.8.
Для обеспечения работы прибора в режиме самописца служит соответствующая панель (рис. 9).
Рис.9.
При работе прибора в режиме самописца имеется возможность установки предельно допустимых (аварийных) значений, что позволяет использовать его в качестве контрольно-регистрирующего устройства. При выходе значения измеряемого сигнала за установленные пределы будет включена цветовая и звуковая сигнализация, кроме того, будет выполнена команда, указанная пользователем в соответствующем поле панели аварийной сигнализации (рис. 10).
Рис.10.
Результаты измерений могут быть сохранены в ПК для последующего использования. Полученные данные сохраняются либо в виде численных значений, либо в виде изображений осциллограмм. Для численных данных используется универсальный текстовый формат электронных таблиц CSV, который удобен тем, что работать с ним можно в любом текстовом или табличном редакторе: от стандартного Блокнота Windows до MS Excel. Для сохранения больших массивов данных самописца используется более экономичный битовый формат, файлы которого с помощью имеющейся в ПО утилиты также могут быть преобразованы в формат CSV для обработки внешними приложениями. Изображения осциллограмм могут сохраняться как в растровом формате BMP, так и в векторных форматах WMF или EMF.
В программе предусмотрены широкие возможности пользовательской настройки. Кроме очевидных возможностей управления параметрами дополнительных вычислений можно выбрать цвета элементов графиков или вовсе отключить ненужные элементы изображения. Также можно загрузить произвольный рисунок в качестве фона рабочих панелей, при этом программа позволяет подстроить цветовую гамму рисунка в соответствии с системным цветом окон или, наоборот, поправить системный цвет в соответствии с загруженным рисунком. Специальные возможности рабочих окон программы- "прилипание" (окна передвигаются по экрану вместе, как одно окно), "сворачивание/разворачивание" (окно остается на месте, но его высота уменьшается до высоты строки заголовка), "плавающая панель" (окно всегда изображается поверх других окон)- позволяют оптимально использовать пространство рабочего стола Windows (рис. 11).
Рис.11.
Все настройки программы и прибора (в том числе, положение и размеры рабочих окон) автоматически сохраняются при выходе и восстанавливаются при следующем запуске программы. Кроме того, пользователь может записать несколько типичных конфигураций настроек, чтобы при необходимости просто загрузить нужный файл вместо долгой коррекции параметров.
Если все же возможностей ПО недостаточно для достижения каких-либо целей, пользователь может оптимизировать работу прибора для решения конкретной задачи, воспользовавшись комплектом разработчика, который предназначен для создания специализированного ПО для работы с осциллографом АСК-3106. В его состав входит полный набор драйверов, библиотек функций, документации, а также полный исходный текст готового приложения, иллюстрирующего приемы работы с прибором. Пример выполнен как проект для среды Borland C++ Builder 6.
Таким образом, по своим техническим характеристикам и разнообразию функций цифровой запоминающий осциллограф АСК-3106 может с успехом конкурировать с аналогичными зарубежными устройствами. Хочется надеяться, что этот недорогой, удобный и надежный прибор понравится специалистам, занимающимся разработкой, ремонтом и обслуживанием радиоэлектронной аппаратуры.
Ремонт и Сервис
РС10-2004
