Измерительный комплекс в компьютере
Блок осциллографический цифровой BORDO 211а
Генератор сигналов произвольной формы AGENT B-230
Блок осциллографический цифровой BORDO 211а
30 декабря прошлого года научно-производственная компания АУРИС (http://www.auris.ru/) начала выпуск блока BORDO B-211A — нового измерительного устройства, превосходящего по своим параметрам ранее выпускавшиеся.
Блок BORDO B-211A превращает любой компьютер, у которого имеется свободный разъем PCI, в цифровой осциллограф общего назначения. Диапазон частот измеряемых сигналов простирается от 0 до 50 МГц, что намного превосходит звуковые карточки с диапазоном от 20 Гц до 20 кГц. Но дело не только в более широком частотном диапазоне, но и в возможностях, предоставляемых программной частью комплекса.
Аппаратная часть состоит из аналого-цифрового преобразователя (АЦП), устройства управления, памяти и БИС сопряжения с шиной PCI. В памяти может поместиться до 128 К последовательных выборок (значений сигнала в определенный момент). Дискретность преобразования равна 1024 (10 бит). Существует возможность регулировать ширину окна, то есть уменьшать количество записываемых отсчетов. На медленных развертках (а фактически на всех, кроме самой быстрой) возможна регистрация так называемых иголок — кратковременных выбросов. Видимо, это делается за счет проведения дополнительных измерений без записи в память между выборками.
Имеется также режим, позволяющий получить эффективную частоту дискретизации, равную 20·109 выборок в секунду. Это режим эквивалентных выборок, в котором используется принцип стробоскопического осциллографа. Он может использоваться только для исследования высокочастотных периодических сигналов.
АЦП выполнен на БИС Analog Devices AD9214, обладающей разрядностью 10 бит и скоростью преобразования до 105·106 выборок в секунду. Остальные детали аналогового тракта скрыты под экраном, но судя по звукам, доносящимся при калибровке нуля, реле там точно есть. В качестве устройства управления используется программируемая логическая матрица (ПЛМ) Altera EP1K30 емкостью 30 К ячеек. Для связи с шиной PCI служит мост PCI9030 производства PLX Technology. Для хранения данных используются две БИС статической памяти Cypress CY7C1021CV33 емкостью 65 536 шестнадцатиразрядных слов. Конфигурация ПЛМ хранится в последовательном ЭППЗУ 93LC66 емкостью 4 Кбит производства Microchip Technology.
Управляющая программа позволяет задавать различные режимы работы развертки (от 5 до 50 мс на деление), запуска (непрерывный/ждущий, внешний/внутренний, однократный/многократный, положительный/отрицательный), задержки или опережения запуска. Входы сигнала и синхронизации могут быть как открытыми, так закрытыми.
На вход блока нельзя подавать сигнал с полным размахом более 8 В, поэтому для исследования сигналов с большей амплитудой необходимо использовать внешний делитель. Рекомендуются значения 1:10, 1:25 и 1:50, так как их можно ввести в параметры настройки и пересчет будет производиться автоматически. Также можно увеличить чувствительность до 10 мВ на деление без потери динамического диапазона. Но самое интересное начинается после того, как измерение остановлено и данные копируются из памяти блока в основную память компьютера. Полученная последовательность выборок может быть обработана множеством различных способов, в частности посредством быстрого преобразования Фурье, амплитудного анализа, интегрирования и дифференцирования с применением к сигналу сорока различных функций и т.д.
При помощи мультимедиа можно отображать более 20 интегральных параметров сигнала, причем не только простых, вроде среднего значения или амплитуды, но и сложных, типа выброса на спаде и выброса на фронте. Этот мультиметр позволяет организовать режим «самописец», фиксирующий изменение параметров сигнала в течение длительного периода времени.
Каждое измерение вызывает появление собственной области памяти выборок, которая может быть записана в файл для последующей загрузки и обработки. Имеется и возможность записи ASCII-файлов, в которых значения времени отсчета и величины сигнала записаны в виде цифр. Такие файлы можно использовать для экспорта данных в другие приложения, например в Exсel, MathLab и т.д.
Собственно изображения можно записать в графический файл, при этом имеется возможность записать только интересующее событие, которое может занимать менее 10% от всей выборки.
Конечно, этот блок вряд ли составит конкуренцию «рабочим лошадкам» ремонтных мастерских — аппаратным запоминающим осциллографам. Пожалуй, его место — в лаборатории, поскольку для проведения различных исследований прибор практически идеален (с учетом его диапазона рабочих частот).
 |
|
Генератор сигналов произвольной формы AGENT B-230
Это устройство является многофункциональным генератором сигналов, способным выдавать сигналы как традиционной формы (синус, прямоугольник, пила), так и произвольной, причем форма может задаваться и программно, и аналитически.
В основе большинства программируемых генераторов лежит принцип получения последовательности значений, которые подвергаются цифроаналоговому преобразованию. Точность таких генераторов зависит от многих факторов, основными из которых являются частота дискретизации и точность цифроаналогового преобразования. Для сглаживания цифровых ступенек в формируемом сигнале обычно применяются фильтры нижних частот.
Для управления цифровой частью генератора используется БИС ПЛМ ALTERA EP1K30 емкостью 30 К ячеек, допускающая внутрисхемное конфигурирование. Это позволяет изменять алгоритм функционирования платы заменой программного обеспечения. В качестве ЦАП применена микросхема Analog Devices AD9744 с максимальной скоростью преобразования 165·106 выборок в секунду и разрядностью 14 бит. Для связи с шиной PCI используется мост PCI9030 производства PLX Technology. Хранение буферных данных обеспечивают две БИС статической памяти Cypress CY7C1021CV33 емкостью 64 К шестнадцати-разрядных слов.
С целью усиления выходного сигнала ЦАП по току и напряжению используется широкополосный прецизионный операционный усилитель с токовой обратной связью Analog Devices AD811AR-16, что позволило получить на нагрузке 1 кОм напряжение с амплитудой до ±8 В.
Плата имеет четыре BNC-разъема (СР-50.73Ф). На первый из них (OUT) поступает отфильтрованный и усиленный выходной сигнал. На второй можно подать внешнее медленно меняющееся напряжение, которое будет измерено встроенным контрольным 14-разрядным АЦП Analog Devices AD7894. Остальные два разъема служат для синхронизации: на один подается сигнал для внешнего запуска генератора (точность привязки 10 нс), а на второй — синхронно с генерируемым сигналом (дискретность установки задержки 100 пс) формируется синхроимпульс для запуска внешних схем.
Точность генератора такова, что в диапазоне 10 Гц…100 кГц коэффициент гармоник синусоидального сигнала не превышает 0,1%. Основная относительная погрешность частоты не превышает ±0,0002% (20 ppm). Ее можно уменьшить до 10-7 (0,1 ppm), поскольку генератор допускает внешнее тактирование. Генератор может использоваться и для получения опорного напряжения постоянного тока, при этом основная абсолютная погрешность не превышает ±0,0005 Ѕ (1+Uуст) В.
Амплитуда сигнала может задаваться от 2 мВ до 8 В. Частота сигналов синусоидальной и треугольной формы меняется в диапазоне от 0,1 Гц до 10 МГц, при частоте выше 100 кГц начинается рост коэффициента гармоник из-за того, что частота дискретизации (100 МГц) становится сравнимой с рабочей. Сигнал прямоугольной формы может иметь частоту 0,1…50 МГц. При генерации стандартных сигналов можно динамически изменять их основные параметры.
Управление генератором осуществляется программно — при помощи драйвера и управляющего ПО. Производитель предоставляет описания драйверов для управления платами из внешних программ, что позволяет встраивать их в более сложные измерительные системы.
В основные возможности пакета входит генерация периодических сигналов, имеющих наиболее распространенные формы: синус, меандр, пила, экспонента и Гауссов шум. Для формирования сигналов произвольной формы значение зависимости напряжения от времени можно задать при помощи математического выражения. В библиотеку входит 14 стандартных функций.
Сформированный сигнал можно записать в стандартный текстовый (ASCII) файл для дальнейшей обработки. Затем этот файл может быть импортирован в какой-нибудь пакет, понимающий подобный формат представления данных, например в Exсel, MathLab и т.п. Далее данные могут быть отредактированы (например, на вершину синусоиды может быть пристроена «башенка»). А можно и открыть файл, содержащий сигнал, сформированный внешней программой и даже измеренный ранее цифровым осциллографом.
В качестве завершающего штриха к портрету генератора можно назвать встроенный АЦП, который определяет прецизионность амплитудных параметров генератора независимо от сопротивления нагрузки (большинство генераторов рассчитаны на 50-омную нагрузку).
В ближайшее время программное обеспечение генератора будет доработано и появятся 48-битное ядро прямого цифрового синтеза и базирующиеся на нем режимы качания частоты, амплитудной и частотно-фазовой модуляции. Аппаратная возможность их реализации уже заложена в плате.
Редакция выражает признательность компании АУРИС (http://www.auris.ru/) за предоставление осциллографа BORDO B-211A и генератора сигналов произвольной формы AGENT B-230.
