Как превратить персональный компьютер в измерительный комплекс

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.

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.