Патрик Гёлль - Как превратить персональный компьютер в измерительный комплекс

Область применения виртуального прибора практически полностью определяется характеристиками программного обеспечения, в то время как характеристики интерфейсных устройств в большинстве случаев вполне понятны пользователю.

Промышленные изделия подобного рода почти всегда используются при работе с более или менее развитым графическим интерфейсом (кстати, не всегда под Windows), позволяющим выбрать тот или иной режим с помощью клавиатуры или мыши через различные меню (рис. 1.1).

Рис 1.1. Пример экранных меню виртуального измерительного прибора

Как будет показано в дальнейшем, очень удобно создавать маленькие программы, специально предназначенные для выполнения той или иной практической задачи. Часто они пишутся на таком популярном и простом языке, как BASIC. Небольшое структурирование этих программ позволит применять и промышленные интерфейсные устройства, и устройства, самостоятельно собранные из отдельных элементов, путем простой переустановки соответствующего драйвера. Ниже будет проведено сравнение обоих вариантов, благодаря чему читатели смогут выбрать решение, наиболее соответствующее их личным потребностям, техническим и финансовым возможностям, и, наконец, талантам в области программирования.

Помимо выполнения программ сбора данных, пользователь виртуального измерительного прибора сможет часто экспортировать результаты измерений в более развитые приложения, например, электронные таблицы или программы построения диаграмм. Эти офисные приложения делают понятными самые абстрактные записи или массивы данных, выделяя в них незаметные на первый взгляд тенденции или взаимные связи. И, конечно, файлы цифровых данных, полученные при записи измеряемых физических параметров, могут передаваться по линиям связи с использованием модема, в частности, по электронной почте и через Internet.

ТОЧНОСТЬ И БЫСТРОДЕЙСТВИЕ

При сравнении между реальными и виртуальными приборами, помимо предоставляемых возможностей и режимов работы, надо также принимать во внимание и их основные характеристики, а именно точность и быстродействие.

Точность виртуального прибора определяется не только количеством цифр после запятой, которое выводится на экран управляющей программой. Кстати, эти цифры могут быть ошибочными, если не приняты некоторые меры метрологического характера.

Одним из основных критериев является разрядность аналого-цифрового преобразователя. Этот параметр определяет степень разрешения при измерениях, то есть ту наименьшую разницу между двумя соседними значениями, которую «чувствует» измерительный прибор. К примеру, восьмиразрядный АЦП способен формировать 2 8, или 256 различных значений выходного сигнала (кода). Если его полная шкала составляет 5 В, он сможет различить два уровня входного напряжения, отличающиеся примерно на 20 мВ; это соответствует чувствительности хорошего стрелочного гальванометра

Дешевые виртуальные приборы чаще всего ограничены по скорости измерений (от нескольких десятков до нескольких десятков тысяч отчетов в секунду). Это более чем достаточно, например, для регистрации кривых заряда или разряда аккумуляторов, а также для замеров метеорологических параметров. Однако этого не всегда достаточно для правильного отображения формы звукового сигнала на экране виртуального осциллографа или для выполнения серьезного спектрального анализа.

Пользователь подобных приборов всегда должен четко представлять возможности своего оборудования и программного обеспечения (ПО) и учитывать их, прежде чем делать поспешные выводы из полученных результатов.

Существует множество способов для преобразования аналогового сигнала — электрического напряжения или тока, изменяющегося плавно и непрерывно — в поток цифровых данных, представляющий собой дискретную кодированную последовательность импульсов. На практике чаще всего используется аналого-цифровое преобразование с помощью импульсно-кодовой модуляции (ИКМ).

В этом случае процесс начинается с представления непрерывного сигнала в виде последовательности отсчетов, которые берутся через определенный промежуток времени (иначе говоря, с определенной частотой дискретизации). Эту функцию выполняет схема, называемая устройством выборки-хранения. Запоминая мгновенное значение входного сигнала (чаще всего на конденсаторе), это устройство обеспечивает сохранение величины взятого отсчета на время процесса оцифровки. Процесс оцифровки состоит в представлении амплитуды каждого отсчета в форме двоичного кодового слова с определенным количеством разрядов. Способ, используемый для выполнения такой оцифровки, и определяет возможности, сложность и цену аналого-цифрового преобразователя.

В семидесятых годах первые АЦП представляли собой большие печатные платы или, в лучшем случае, большие гибридные модули, которые обычно очень дорого стоили. Полупроводниковые интегральные микросхемы АЦП, пришедшие им на смену, тоже поначалу были довольно дороги, причем выпускались они в неудобных корпусах с большим количеством выводов. Даже теперь это остается актуальным, но только для некоторых типов АЦП с очень высокими характеристиками (разрешение, быстродействие, число входов); гораздо более простые и дешевые модели появились лишь несколько лет назад.

НОВОЕ ПОКОЛЕНИЕ АЦП

Необходимость встраивать высококачественные аналого-цифровые преобразователи в изделия и товары широкого потребления (электробытовые приборы, автомобили, средства телекоммуникации и т. п.), которые всё в большей степени основываются на цифровых технологиях, заставила изготовителей полупроводниковых элементов применить новые подходы к решению проблемы.

В настоящее время за цену менее двадцати долларов можно купить АЦП в корпусе с восемью выводами, причем возможности этих преобразователей могут быть оценены довольно высоко. Их используют, в частности, для работы с самыми современными компонентами — RISC-микроконтроллерами и цифровыми сигнальными процессорами (ЦСП).

Главная особенность таких АЦП состоит в организации управления по одно- или двухпроводной последовательной шине (SPI, Microwire, PC и т. п.), а не через параллельный интерфейс, требующий наличия одного вывода микросхемы на каждый разряд шины управления. Конечно, такой способ передачи битов данных — один за другим по одному проводу — ограничивает скорость обмена информацией, хотя и здесь можно достичь скорости передачи данных порядка 1 Мбит/сек. На практике, с учетом свойств и возможностей схем дискретизации и квантования, не стоит рассчитывать на преодоление барьера в несколько десятков тысяч измерений в секунду, что в среднем соответствует частоте дискретизации 20 кГц.