Компьютер превращается… в осциллограф

Сергей Самохин

Если верить биологам, 90% информации человек получает посредством зрения, а оставшиеся 10% — при помощи остальных органов чувств. Исходя из этого становится понятным желание сделать невидимое видимым или хотя бы получить некое видимое подобие невидимых процессов.

Именно для получения такого подобия предназначен осциллограф. Слово «осциллограф» состоит из двух частей: первая — oscillo (лат.) значит «качаюсь», а вторая — grapho (греч.) — «пишу». Хотя более правильным было бы название прибора «осциллоскоп» (от греч. skopeo — «смотрю»). Именно так он называется по-английски — oscilloscope. Сам прибор служит для наблюдения зависимости одной или нескольких быстро меняющихся электрических или преобразованных в электрические величин от времени. Наиболее распространены электронно-лучевые осциллографы, в которых электрические сигналы, пропорциональные исследуемым величинам, после соответствующей обработки поступают на отклоняющие пластины осциллографической трубки. На экране осциллографа при этом можно наблюдать графическое изображение зависимости. Такой «визуализованный» сигнал несет гораздо больше информации, чем значения частоты, амплитуды, среднего значения и т.п.

Наиболее распространены одноканальные осциллографы, которые могут изобразить изменение во времени только одного параметра. Реже встречаются двухканальные (двухлучевые), способные одновременно отобразить зависимость от времени двух разных значений напряжения, еще реже — четырехканальные.

Обычный аналоговый осциллограф состоит из входного делителя, усилителя вертикального отклонения, схемы синхронизации и горизонтального отклонения, источника питания и электронно-лучевой трубки (ЭЛТ). В осциллографах применяют ЭЛТ с электростатическим отклонением, в отличие от телевизоров и мониторов, где используется магнитное отклонение. ЭЛТ с электростатическим отклонением, хотя и более сложны в изготовлении, имеют гораздо больший частотный диапазон. В каждый конкретный момент отклонение электронного луча и светового пятна на экране, которое он образует, пропорционально напряжению, приложенному к пластинам вертикального отклонения. Напряжение на пластинах горизонтального отклонения изменяется линейно, обеспечивая горизонтальную развертку. Нижняя частота, при которой картинка еще читается, составляет в среднем 10 Гц, хотя при применении специальных ЭЛТ с большим временем послесвечения она может быть значительно ниже. Верхняя рабочая частота определяется в основном характеристиками усилителя вертикального отклонения и свойствами ЭЛТ (емкостью между отклоняющими пластинами).

В последнее время все большее распространение получают цифровые осциллографы. По сравнению с аналоговыми они имеют значительно более широкие возможности, а стоимость цифровых схем снижается.

Цифровой осциллограф состоит из входного делителя, нормализующего усилителя, аналого-цифрового преобразователя (АЦП), блока памяти, устройства управления и устройства отображения. Устройство отображения обычно выполняется на основе жидкокристаллической (ЖК) панели.

Цифровые осциллографы имеют значительно более широкие возможности за счет самого принципа работы. Входной сигнал после нормализации преобразуется в цифровую форму и записывается в память. Скорость записи (количество выборок в секунду) задается устройством управления. Ее верхний предел определяется быстродействием АЦП и, например, у осциллографов серии TDS6000 (фирма Tektronix) может достигать 20 ГГц, что обеспечивает верхнюю рабочую частоту прибора 6 ГГц. Нижний предел теоретически не ограничен, в отличие от аналоговых осциллографов.

В процессе перечисления основных составных частей цифрового осциллографа невольно возникает щемящее чувство дежа вю. Память, процессор, устройство отображения (то есть монитор) — все это уже есть в персональном компьютере. Неудивительно, ведь большинство более-менее сложных цифровых устройств, в том числе и осциллограф, являются компьютерами, имеющими в своем составе все или почти все, что положено компьютеру.

Итак, у нас есть почти все необходимое для превращения компьютера в цифровой осциллограф. Не хватает только АЦП. Правда, в игровом порту присутствуют аж две штуки, но с низким быстродействием (примерно 5 мс).

Путь первый: добавить необходимое оборудование, присоединив его через какой-нибудь интерфейс. Например, английская фирма Pico Technology Limited (http://www.picotech.com/) выпускает довольно широкий спектр внешних АЦП, подключаемых через принтерный порт. Диапазон цен — от 107 до 700 долл., максимальный темп выборки — от 20 кГц до 5 ГГц, что соответствует верхней граничной частоте 5 кГц — 1,25 ГГц. Разрядность — от 8 до 16 бит. Все устройства комплектуются соответствующим ПО, которое позволяет превратить компьютер не только в осциллограф, но и в анализатор спектра или просто в мультиметр.

Имеются и российские разработки, например платы и внешние устройства от компании СИГНАЛ (http://www.signal.ru/), или от ЗАО «Руднев-Шиляев» (http://www.rudshel.ru/russian/index.htm), или от научно-производственной компании АУРИС (http://auris.ru/).

Однако за те деньги, которые они просят, можно купить вполне приличный новый аналоговый осциллограф российского производства, да еще и с мультиметром, например С1-112А стоимостью 4218 руб. или простенькую «Сагу» за 3280 руб.

Поиск «халявного» АЦП приводит к звуковой карте. На любой звуковой карте имеется двухканальный АЦП с разрядностью не менее 16 бит и скоростью преобразования не менее 44,1 кГц. Это теоретически дает возможность получить осциллограф с верхней рабочей частотой 6…8 кГц. Не бог весть что, но лучше, чем ничего…

Теоретический анализ опять же показывает, что такой осциллограф имеет несколько принципиальных недостатков. Во-первых, ограничение рабочей частоты снизу, обусловленное наличием конденсаторов на входе карты. Для осциллографа это равносильно наличию только «закрытого» входа. Во-вторых, ограниченный диапазон входного напряжения (100…250 мВ), то есть для работы с более высоким напряжением необходим внешний прецизионный делитель. На рис. 1 показано ограничение синусоидального сигнала 0,5 В 1 кГц. Для расчета делителя необходимо знать входное сопротивление звуковой карты. В-третьих, отсутствие гальванической развязки, что можно преодолеть путем применения трансформатора (диапазон частот позволяет). В-четвертых, нужен прецизионный звуковой генератор для калибровки.

Результатом поиска в Интернете явились несколько утилит, которые рекламируются их авторами как программные осциллографы. Утверждается, что после их установки компьютер со звуковой картой становится полным аналогом цифрового низкочастотного осциллографа.

Проверка проводилась на ПК с процессором Pentium III 600 МГц 512 Мбайт. В компьютер была установлена звуковая карта Creative Sound Blaster PCI Compact (CT5808) и соответствующие драйверы (рис. 2).

Первой была испытана известная утилита Oscilloscope 2.51, ссылки на которую имеются даже на нескольких зарубежных страницах. Утилита не требует установки, что не может не радовать. Полученные результаты показали полное соответствие теории и практики. Кроме того, была отмечена не совсем корректная работа, например срывы синхронизации. Однако для случая, когда нужно быстро приблизительно оценить форму низкочастотных колебаний, это было вполне удовлетворительно. Из сравнения осциллограмм, сделанных на частоте 1000 Гц, видно, что самодельный осциллограф производит выборку с неприлично низкой скоростью 8 кГц, зато отрисовывает заметно лучше, чем оценочная копия Ace of WAV. Но при помощи штатного Sound Recorder можно проводить дискретизацию с той скоростью, которую позволяет карта, то есть 44,1 кГц (рис. 3).

Утилита Scope30 BIP Electronics Labs 3.0 — Oscilloscope также не требует установки, но, в отличие от предыдущей, не работает с данной звуковой картой (рис. 4).

Утилита «Осциллограф» (автор Владимир Анатольевич Мещеряков, http://www.tzps.ru/mva/index.htm) имеет два отличия от предыдущей: во-первых, требует установки; во-вторых, будучи запущена, останавливается только при помощи Task Manager, вызванного нажатием трех заветных клавиш. За это сомнительное удовольствие с нас еще спрашивают 300 рублей за регистрацию (рис. 5).

Остальные испытанные утилиты, такие как audioTester V1.4e, MicroLab, Polyhedric Software и несколько других, обнаружили либо ошибки при установке, либо фатальные ошибки при работе с картой.

Так что же, бесплатного сыра не бывает? Бывает, но в малых дозах. Лучше всего звуковая карта выполняет роль осциллоГРАФа, то есть устройства для регистрации. При помощи именно такого устройства в тестовой лаборатории «КомпьютерПресс» было проведено тестирование источников бесперебойного питания. При этом удалось снять не только момент отключения ИБП от сети, что, в принципе, можно было бы проделать посредством цифрового осциллографа, но и момент отключения резервного питания из-за разряда аккумуляторов. Из-за невозможности точно определить нужный момент (ИБП не выдает синхроимпульса перед отключением) приходилось записывать файлы длиной 50 тыс. выборок, на что способны только осциллографы, превосходящие ПК по цене раз в десять.

КомпьютерПресс 11'2002

Наш канал на Youtube

1999 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
2000 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
2001 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
2002 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
2003 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
2004 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
2005 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
2006 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
2007 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
2008 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
2009 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
2010 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
2011 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
2012 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
2013 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
Популярные статьи
КомпьютерПресс использует