Компьютеризированная измерительная лаборатория на основе ПК-осциллографов и генераторов фирмы Velleman

   Фирма VELLEMAN INSTRUMENTS выпускает виртуальные осциллографы PCS500, PCS100, К8031 и виртуальные функциональные генераторы PCG10 и К8016. Эти приборы выполнены в одинаковых по конструкции корпусах и вместе с прилагаемым программным обеспечением на CD-ROM могут использоваться для создания компьютеризованной лаборатории на базе обычного настольного или мобильного компьютера.

Виртуальные ПК-осциллографы Velleman PCS500, PCS100, K8031

   Осциллограф является основным инструментом при исследовании и отладке различных радиоэлектронных устройств. В последние годы наряду с обычными аналоговыми осциллографами часто используются цифровые и запоминающие осциллографы, которые допускают подключение к персональному компьютеру (ПК). Однако известные приборы такого типа, например, выпускаемые фирмами Tektronix или Fluke, очень дороги и недоступны большинству специалистов и радиолюбителей. Кроме того, существуют определенные проблемы при их подключении к ПК с помощью довольно дорогих дополнительных аксессуаров.

   В связи с этим представляют интерес так называемые виртуальные осциллографы, выполненные в виде приставок к ПК. Название этих приборов, прямо скажем, не очень удачное. Их "виртуальность" проявляется лишь в том, что передняя панель осциллографа создается на экране дисплея ПК соответствующими программными средствами. Управление осциллографом осуществляется с помощью графического манипулятора - мыши (или тачпада в ноутбуках).

   В действительности подобные аппараты являются стробоскопическими осциллографическими приставками к настольному или мобильному ПК, которые позволяют наблюдать на экране монитора вполне реальные и высококачественные осциллограммы с высоким разрешением, разными цветами линий и с отсутствием геометрических искажений. Принцип действия таких осциллографов заключается в стробировании (дискретизации) входного сигнала путем выделения из него коротких вырезок-отсчетов. Они оцифровываются (квантуются) с помощью быстродействующего аналого-цифрового преобразователя и коды отсчетов передаются в ПК через тот или иной порт связи с внешними устройствами.

   Применение стробоскопических осциллографических приставок для ПК дает следующие преимущества:

• резко упрощается конструкция прибора, поскольку становятся ненужными электронно-лучевая трубка, органы управления осциллографом, мощный и высоковольтный источник питания и др.;
• уменьшается стоимость прибора;
• реализуется естественная стыковка с ПК (настольным или ноутбуком), что обеспечивает легкость цифровой обработки данных, например, с помощью систем компьютерной математики;
• появляется возможность легко реализовать цифровые методы обработки сигналов, например,
• построение спектра методом быстрого преобразования Фурье или регистрации сигналов на протяжении длительного промежутка времени с записью сигнала в память ПК.

   Одним из ведущих разработчиков таких приборов является голландская фирма Velleman Instruments, приборы которой (виртуальные осциллографы PCS500, PCS100 и К8031) можно приобрести в торговле.

   В табл. 1 представлены основные характеристики ее осциллографических приставок.

Таблица 1

Требования к системе ПК

   Операционная система Windows 95, 98, 2000 или NT.

   Видеокарта SVGA (разрешение 800x600).

   Принтерный порт LPT1, LPT2 или LPT3.

   Арифметический сопроцессор для спектроанализатора.

   Приставка PCS500 (рис. 1) обеспечивает создание виртуального двухканального осциллографа с частотами вертикального отклонения до 50 МГц.

Рис. 1. Внешний вид приставки PCS500 спереди

Это устройство имеет следующие преимущества:

• внешний триггер с запуском по нарастанию и спаду сигнала;
• улучшенная входная чувствительность;
• пониженный уровень шумов в канале вертикального отклонения;
• улучшенная временная развертка осциллографа;
• возможность отображения суммы и разности сигналов на входах и инвертированного сигнала;
• возможность отображения периодических сигналов с частотой стробирования до 1 ГГц;
• расширенный до 25 МГц частотный диапазон спектроанализатора.

   Внешний вид приставки PCS500 сзади представлен на рис. 2. На ее задней панели располагаются разъем параллельного принтерного порта LPT и разъем для подключения внешнего адаптера питания от сети переменного тока с выходным напряжением 9 В.

Рис. 2. Внешний вид приставки PCS500 сзади

   Приставка PCS100 является основной для построения одноканального стробоскопического осциллографа с полосой до 32 МГц. А приставка К8031 выполнена в виде радиоконструктора "сделай сам" и позволяет радиолюбителям сэкономить средства при покупке набора деталей и получить удовольствие от сборки. Приборы имеют гальваническую развязку сигнальных цепей от компьютера.

   Приставки позволяют также показать спектры сигналов, используя для этого быстрое преобразование Фурье (БПФ) с достаточно большим числом (4000) отсчетов. Фурье-анализатор приборов обеспечивает характеристики, которые показаны в табл. 2.

Таблица 2

   В режиме Фурье-анализатора возможен выбор различных видов частотных окон: прямоугольное, Барлетта, Хамминга, Ханнинга и Блакмана. Возможна работа с регистрацией максимумов пиков и с усреднением.

   Приборы могут использоваться в качестве самописца, имеющего характеристики, представленные в табл. 3.

Таблица 3

   Таким образом, приставки (ПК-осциллографы) по существу заменяют три прибора: осциллограф, спек-троанализатор и электронный регистратор.

   Чувствительность входов и режимы их работы изменяются программным путем. Возможно применение щупа-делителя с отношением 1/10.

   В режиме осциллографа (рис. 3) частота дискретизации входного сигнала задается режимом работы осциллографа. Основной режим - режим реального времени. При нем частота дискретизации автоматически задается достаточно большой, при этом для соединения точек осциллограммы используется линейная интерполяция или интерполяция со сглаживанием. Возможен также режим однократного запуска. Управление осциллографом осуществляется группами виртуальных кнопок: двух каналов вертикального отклонения под окном осциллограммы и группы кнопок горизонтальной развертки справа. Такое управление основано на аналогии с обычным современным осциллографом.

Рис. 3. Окно прибора PCS500 в режиме осциллографа

   У приставки PCS500 предусмотрен еще один режим для просмотра осциллограмм периодических сигналов. При этом дискретизация задается генератором случайных чисел, что создает эквивалентную частоту дискретизации до 1 ГГц. Обработка осциллограмм при этом занимает несколько секунд, но позволяет наблюдать осциллограммы сигналов с частотами до нескольких десятков МГц. Более высокочастотные сигналы наблюдать бессмысленно, поскольку верхняя граничная частота усилителей вертикального отклонения ограничена значением 50 МГц, да и триггер синхронизации на таких частотах работает неустойчиво.

   Сверху окна виртуального осциллографа (рис. 3) расположено обычное меню Windows и под ним кнопки для переключения видов работы приставки. На рис. 4 приведен вид окна в режиме Фурье-анализа сигнала на нижнем входе. Фурье-анализатор основан на БПФ (быстром преобразовании Фурье) с разрешением 2048 строк.

Рис. 4. Окно виртуального Фурье-анализатора приставки PCS500

   На рис. 5 представлено окно в режиме самописца переходных процессов. Данный самописец позволяет записыть сигналы в автоматическом режиме в течение 1 года. Далеко не каждый, даже запоминающий осциллограф позволяет вести такие записи.

Рис. 5. Окно виртуального самописца переходных процессов приставки PCS500

   Любую осциллограмму (спектрограмму), которая видна на виртуальном экране, можно записать в виде файла - графического с расширением ".bmp" и текстового с расширением ".txt". Текстовый файл записывается в формате ASCII, причем каждая точка представлена своим номером (от 0 до 4095) и значением от 0 до 255 (нуль соответствует числу 128). Это позволяет использовать полученные данные для обработки программами, написанными на практически любом языке программирования - даже на популярном Бейсике.

   Предусмотрен вывод на экран цифровых данных в масштабах по вертикали (напряжение или дБ) и горизонтали (время). Можно также нанести надпись и вывести курсоры для проведения курсорных измерений. Все это позволяет создавать наглядные отчеты по измерениям.

   Следует, однако, отметить, что стробоскопические осциллографические приставки все же не являются полноценной заменой современного аналогового осциллографа. Им присущи довольно характерные сильные искажения вида сигналов при их дискретизации. Например, при наблюдении даже синусоидальных сигналов на медленных развертках форма сигнала резко искажается и он напоминает перемодулированный сигнал. Это связано с биениями, возникающими при взаимодействии частоты сигнала с частотой генератора стробирующих импульсов. Обычный осциллограф таким эффектом не обладает и дает неискаженное представление синусоиды даже на длительных развертках - правда обычно в виде горизонтальной полосы, высота которой задается двойной амплитудой сигнала. По указанной причине практически невозможно наблюдать амплитудно-модулированные высокочастотные сигналы, хотя на обычном осциллографе они наблюдаются легко. Естественно, что у приставок нет специальной синхронизации для телевизионных сигналов - например, выделения строк, которая может быть у обычных осциллографов.

Виртуальные ПК-генераторы Velleman PCG10, K8016

   Приставка PCG10 (рис. 6) подключается к IBM совместимому компьютеру, при этом экран компьютера используется как дисплей генератора. Генератор работает в среде Windows 95/98/NT/2000 с управлением прибором посредством мыши.

Рис. 6. Внешний вид приставки PCG10

   Уникальная особенность генератора – его совместимость с ПК-осциллографами Velleman PCS64i и PCS500 для создания измерительного комплекса с расширенными возможностями отображения данных на дисплее.

   Прибор поставляется в двух версиях: конструктора (К8016) (рис. 7), требующего минимальной сборки, и готового изделия (PCG10).

Рис. 7. Плата конструктора К8016

   Генератор может быть подключен одновременно к осциллографу PCS64i (или PCS500) и IBM совместимому компьютеру через принтерный порт LPT1, 2 или 3 для проведения измерений и дальнейшей обработки данных на ПК. В таблице 4 приведены основные технические характеристики генераторов.

Таблица 4

   На рис. 8 представлено окно управления генератором. PCG10 имеет графический редактор с возможностью записи файла в память до 32 Кбайт, возможность создания индивидуальных форм сигналов.

Рис. 8. Окно управления генератором PCG10

   Данный генератор имеет следующие функциональные возможности:

• Кварцевая стабилизация частоты
• Оптически изолирован от PC
• Формы сигналов: синус, прямоугольный, треугольный
• Дополн. выход для синхронизации сигнала TTL уровня
• Библиотека форм сигналов

Компьютеризированная лаборатория PC-LAB 2000

   Приведенные на рис. 1 и рис. 6 компоненты вместе с обычным персональным компьютером образуют миниатюрную многофункциональную лабораторию, позволяющую исследовать и отлаживать различные электронные схемы, устройства и системы.

   Компьютер (настольный или мобильный - ноутбук), используемый совместно с описанными приборами, должен работать с операционной системой Windows 95, 98, 2000/NT/XP, иметь SVGA-видеокарту (с разрешением 800x600) и арифметический сопроцессор для спектроанализатора. Подключение устройств осуществляется через принтерный порт LPT1, LPT2 или LPT3. Сборка лаборатории и подключение ее к компьютеру занимает от силы пару минут. Она сводится к подключению кабелей к разъемам, расположенным на задней панели корпусов осциллографической приставки и приставки генератора. Сигнальные коаксиальные кабели подключаются со стороны передних панелей. Следует отметить, что приставки гальванически развязаны от цепей компьютера, что надежно защищает последний (но не сами приставки) от повреждений.

   Необходимо также установить программное обеспечение - программу PC-LAB 2000 с прилагаемого CD-диска. Программу можно скачать здесь. Установка этой программы ничем не отличается от установки любого Windows-приложения. Однако надо учитывать, что для ПК с операционной системой Windows NT или Windows 2000 нужно дополнительно установить драйвер локального Администратора, который также имеется на CD-диска (возможна его установка после установки самой программы).

   После установки программы PC-LAB 2000 создается папка с ее ярлыком и рядом вспомогательных файлов ее справки, содержащей описание программы и работы с основными компонентами лаборатории с ней в целом. К сожалению, русскоязычной справки нет. Хотя, надо сказать, что работа с лабораторией для достаточно опытного пользователя (специалиста или радиолюбителя) вполне ясна и понятна.

   Интересно отметить, что программу PC-LAB 2000 можно бесплатно скачать с Интернет-сайтов корпорации VELLEMAN INSTRUMENTS. Это позволяет познакомиться с возможностями лаборатории с помощью демонстрационного режима demo. Его можно задать в окне начального запуска программы. Это окно позволяет также выбрать тип осциллографа, тип генератора и адрес принтерного порта LPT, через который компоненты лаборатории подключаются к ПК.

   При совместном использовании осциллографа и генератора появляется еще один доступный режим - построитель частотных характеристик электронных цепей Circuit Analyzer. Он открывает окно Bode Plotter (рис. 9), в котором можно задать вид графика, чувствительность, начальную и конечную частоту свипирования. В этом режиме функциональный генератор работает как свип-генератор (генератор качающейся частоты), что позволяет строить АЧХ электронных цепей и схем. К сожалению, верхняя частота свипирования не может превышать 1 МГц, так что этот режим годится для исследования не очень высокочастотных схем и устройств. Как в режиме построения АЧХ, так и при просмотре осциллограмм, возможны курсорные измерения с помощью перемещаемых мышью курсоров, а также вывод масштабных параметров.

Рис. 9. Работа лаборатории в режиме построения АЧХ

   Как видно из приведенных примеров, возможности лаборатории PC-LAB 2000 достаточно обширны и практически неограниченно расширяются возможностью компьютерной обработки данных и результатов экспериментов. Любую осциллограмму, спектрограмму, запись переходных процессов или АЧХ можно сохранить в файлах данных. Для этого интерфейс лаборатории предусматривает окно загрузки файла данных с кнопкой просмотра, выводящей окно предварительного просмотра.

   Лаборатория формирует два вида файла данных: текстового и графического формата. Пример текстового файла данных (осциллограммы двух каналов осциллографа) дан ниже:

TIME STEP:
125 = 1ms
VOLTAGE STEP:
CH1: 32 = 1.5V
CH2: 32 = 1.5V
N CH1 CH2
0 187 81
1 187 81
2 187 80
............
300 187 81
301 187 81
302 187 80
303 187 80
304 187 80

   Этот файл имеет формат ASCII и содержит вполне очевидные данные: шаг по времени, масштаб по вертикали, номера точек N и данные в восьмиразрядном формате (от 0 до 255) для каналов осциллографа. Такие данные легко переносятся в любую их обрабатывающую программу, начиная от простенькой программы на Бейсике и кончая программами обработки данных на основе систем компьютерной математики Mathcad, Maple, Mathematica или Matlab. Это открывает широчайшие возможности математической и компьютерной обработки данных и результатов исследований и экспериментов.

Рис. 10. Осциллограммы с двух каналов осциллографа

   Графический файл имеет расширения .bmp и представляет собой высококачественный рисунок - рис. 10. Такие рисунки можно использовать для подготовки отчетов по результатам исследований или экспериментов. Их можно, например, включать в текстовые материалы, подготовленные в среде текстового редактора класса Microsoft Word. В настоящее время компьютеризованные лаборатории отнюдь не ограничены описанными изделиями фирмы VELLEMAN INSTRUMENTS. Подобные лаборатории могут строиться на изделиях фирмы АСК, осциллографах ОСЗС-01 и генераторах ГСПФ-052, аппаратуре (увы, довольно дорогой) фирм FLUKE, TEKTRONIX и др.

Файлы

1. Руководство пользователя: PC Scopes PCS500, PCS100/K8031
2. Руководство пользователя: PC Generator PCG10/K8016
3. Программа: PC-LAB 2000

Источники

1. В.Дьяконов. Виртуальные ПК-осциллографы фирмы Velleman. - Ремонт и Сервис электронной техники, 2003, N8 С.50.
2. В.Дьяконов. Компьютеризированная лаборатория PC-LABS 2000. - Ремонт и Сервис электронной техники, 2003, N9 С.52.
3. http://www.spin-it.com/Velleman/VellemanPCS500E.htm
4. http://www.spin-it.com/Velleman/Velleman%20PCG10E.htm
5. http://www.platan.ru/pdf/00205.pdf
6. http://www.platan.ru/pdf/00202.pdf
7. http://www.platan.ru/pdf/00206.pdf

Автор:Абражевич Руслан,
г. Минск, Беларусь